<<

стр. 17
(всего 40)

СОДЕРЖАНИЕ

>>

ческих, энергетических, трудовых факторов производства,
На подготовительных этапах осуществляется содержа-
способах их соединения для создания продукта или услуги,
тельный и формализованный анализ решаемой задачи, Еыбор
отвечающих определенным требованиям. Поэтому техно-
метода и математической модели ее решения. Определяется
логия неразрывно связана с машинизацией производствен-
последовательность и порядок решения, его алгоритмическое
ного или непроизводственного, прежде вг.:го управленчес-
описание, составляются программы на каком-либо доступном
кого процесса. Управленческие технологии основываются
для машины языке. Затем программы вводятся в ЭВМ, отла-
на применении компьютеров и телекомм} кикационной тех-
живаются, редактируются и записываются для хранения на
ники.
внешних носителях.
Согласно определению, принятому ЮНЕСКО, инфор-
Содержание исполнительных этапов зависит от характе-
мационная технология — это комплекс взаимосвязанных на-
ра задачи и типа используемой ЭВМ. Оно сводится к автома-
учных, технологических, инженерных дисциплин, изучающих
тическому выполнению программы, причем часть программы
методы эффективной организации труда людей, занятых об-
может выполняться с участием человека. Завершающим эта-
работкой и хранением информации. Это также комплекс дис-
пом является анализ, оценка полученных результатов для их
циплин, изучающих вычислительную технику и методы орга-
практического использования и совершенствования разрабо-
низации и взаимодействия с людьми и производственным обо-
танных алгоритмов и программ.
рудованием, их практические приложения, а также езязанные
Содержание подготовительных этапов существенно уп-
со всем этим социальные, экономические it культурные про-
рощается, если имеются готовые программы, соответствующие
блемы. Сами информационные технологии требуют сложной
характеру решаемых задач. Тогда основная часть работы —
подготовки, больших первоначальных затрат и наукоемкой
операции с данными: их отбор, ввод в ЭВМ, формирование
техники. Их введение должно начинаться с создания матема-
массивов данных и др. Вызов программы и ее выполнение
тического обеспечения, формирования информационных по-
осуществляются в соответствии с инструкциями по эксплуа-
токов в системах подготовки специалистов
тации данной ЭВМ.
Кибернетика 253

Составляющие информационной технологии — включать весь набор элементов, необходимых для до-
стижения поставленной цели;
Используемые в производственной сфере такие техно-
— иметь регулярный характер. Этапы, действия, опера-
логические понятия, как норма, норматив, технологический
ции технологического процесса могут быть стандартизиро*
процесс, технологическая операция и т. п., могут применяться
ваны и унифицированы, что позволит более эффективно осу-
и в информационной технологии. Прежде чем разрабатывать ществлять целенаправленное управление информационными
эти понятия в любой технологии, в том числе и в информаци- процессами.
онной, всегда следует начинать с определения цели. Затем сле-
Реализация технологического процесса материального
дует попытаться провести структурирование всех предпола- производства осуществляется с помощью различных техни-
гаемых действий, приводящих к намеченной цели, и выбрать ческих средств, к которым относятся оборудование, станки,
необходимый программный инструментарий. инструменты, конвейерные линии и т. п. По аналогии и для
Необходимо понимать, что освоение информационной информационной технологии должно быть нечто подобное.
технологии и дальнейшее ее использование должны свестись Такими техническими средствами производства информации
к тому, что нужно сначала хорошо овладеть набором элемен- будет являться аппаратное, программное и математическое
тарных операций, число которых ограничено. Из этого огра- обеспечение этого процесса. С их помощью производится пе-
ниченного числа элементарных операций в разных комбина- реработка первичной информации в информацию нового ка-
циях составляется действие, а из действий, также в разных чества. Выделим отдельно из этих средств программные про-
комбинациях, составляются операции, которые определяют тот дукты и назовем их инструментарием, а для большей четкости
или иной технологический этап. Совокупность технологичес- можно его конкретизировать, назвав программным инстру-
ких этапов образует технологический процесс (технологию). ментарием информационной технологии.
Он может начинаться с любого уровня и не включать, напри- В качестве инструментария можно использовать следу-
мер, этапы или операции, а состоять только из действий. Для ющие распространенные виды программных продуктов для
реализации этапов технологического процесса могут исполь- персонального компьютера: текстовый процессор (редактор),
зоваться разные программные среды. настольные издательские системы, электронные таблицы, сис-
Информационная технология, как и любая другая, дол- темы управления базами данных, электронные записные книж-
ки, электронные календари, информационные системы функ-
жна отвечать следующим требованиям:
ционального назначения (финансовые, бухгалтерские, для
— обеспечивать высокую степень расчленения всего процес-
маркетинга и пр.), экспертные системы и т. д.
G) обработки информации на этапы (фазы), операции, действия;




КИБЕРНЕТИКА
План f
1. Понятие кибернетики.
2. Развитие кибернетики.
3. Предмет, методы и цели кибернетики.
4. Кибернетика и информация.
5. Место кибернетики в системе наук.
6. Роль и значение кибернетики.
7. Кибернетика и компьютеры.
8. Применение кибернетики — моделирование.


ловеком механизмы предназначались для выполнения хотя и
Современное поколение является свидетелем стре-
весьма разнообразных, но в основном исполнительных функ-
мительного развития науки и техники. За последние три-
ций. Их конструкция предусматривала всегда более или менее
ста лет человечество прошло путь от простейших паро-
сложное управление, осуществляемое человеком, который
вых машин до мощных атомных электростанций, овладе-
должен оценивать внешнюю обстановку, внешние условия,
ло сверхзвуковыми скоростями полета, поставило себе
наблюдать за ходом того или иного процесса и соответственно
на службу энергию рек, создало огромные океанские ко-
управлять машинами, движением транспорта и т. д. Область
рабли и гигантские землеройные машины, заменяющие
умственной деятельности, психики, сфера логических функ-
труд десятков тысяч землекопов. Запуском первого ис-
ций человеческого мозга казались до недавнего времени со-
кусственного спутника Земли и полетом первого челове-
вершенно недоступными механизации.
ка в космос люди проложили путь к освоению космичес-
кого пространства. Рисуя картины жизни будущего общества, авторы фан-
тастических рассказов и повестей чэг.о представляли, что всю
Однако до середины XX века почти все создаваемые че-
254 Информатика

работу за человека будут выполнять машины, а роль человека названия науки об управлении техническими, биологически-
сведется лишь к тому, чтобы, наблюдая за работой этих ма- ми и социальными системами.
щин, нажимать на пульте соответствующие кнопки, управляю-
щие определенными операциями.
Однако современный уровень развития радиоэлектро- 2. РАЗВИТИЕ КИБЕРНЕТИКИ
ники позволяет ставить и разрешать задачи создания новых
устройств, которые освободили бы человека от необходимо- Становление и успешное развитие люээго научного на-
сти следить за производственным процессом и управлять им, правления связаны, с одной стороны, с накоплением доста-
т. е. заменили бы собой оператора, диспетчера. Появился но- точного количества знаний, на базе которых может разви-
вый класс машин — управляющие машины, способные выпол- ваться данная наука, с другой — с потребностями общества в
нять самые разнообразные и часто весьма сложные задачи уп- ее развитии. Поэтому неслучайно размышления о киберне-
равления производственными процессами, движением транс- тике Платона и Ампера не получили в свое чоемя дальнейше-
порта и т. д. Создание управляющих машин позволяет перей- го развития и были, в сущности, забыты. Достаточно солид-
ти от автоматизации отдельных станков и агрегатов к комп- ная научная база для становления кибернетики создавалась
лексной автоматизации конвейеров, цехов, целых заводов. лишь в течение XIX—XX веков, а технологическая база не-
Вычислительная техника используется не только для посредственно связана с развитием электроники за период
управления технологическими процессами и решения много- послед-них 50—60 лет.
численных трудоемких научно-теоретических и конструктор- Социальная потребность в развитии кибернетики на со-
ских вычислительных задач, но и в сфере управления народ- временной ступени общественного развития определяется
ным хозяйством, экономики и планирования. прежде всего бурным ростом технологического уровня про-
изводства, в результате чего доля суммарных физических уси-
лий человека и животных составляет в настоящее время ме-
нее 1% мирового энергетического баланса. Снижение данной
1. ПОНЯТИЕ КИБЕРНЕТИКИ
величины обусловлено стремительным ростзм энерговоору-
Существует большое количество различных определе- женности работников физического труда, сопровождающим-
ний понятия «кибернетика», однако все они сводятся к тому, ся и значительным повышением его производительности. Вме-
что кибернетика — это наука, изучающая общие закономер- сте с тем управление современной техникой 1ребует все боль-
ности строения сложных систем управления и протекания в ших затрат нервной энергии, а психофизические возможности
них процессов управления. Так как любые процессы управле- человека ограничены, поэтому оказывается, что именно они в
ния связаны с принятием решений на основе получаемой ин- значительной степени ограничивали полноценное использо-
формации, то кибернетику часто определяют еще и как науку вание достижений технического прогресса.
об общих законах получения, хранения, передачи и преобра- С другой стороны, в развитых странах доля работников
зования информации в сложных управляющих системах. умственного труда по отношению ко всем работающим при-
Появление кибернетики как самостоятельного научного ближается уже к 50%, причем дальнейшее возрастание ее яв-
направления относится к 1948 г., когда американский ученый, ляется объективным законом общественного эазвития. А про-
профессор математики Массачусетского технологического изводительность умственного труда, в процессе которого до
института Норберт Винер (1894—1964 гг.) опубликовал кни- недавнего времени использовались лишь самые примитивные
гу «Кибернетика, или Управление и связь в животном и маши- технические средства повышения его эффективности (ариф-
не». В этой книге Винер обобщил закономерности, относящи- мометры, конторские счеты, логарифмические линейки, пи-
еся к системам управления различной природы — биологичес- шущие машинки), практически оставалась на уровне XIX века.
ким, техническим и социальным. Вопросы управления в соци- Если учитывать также непрерывное в t зрастание слож-
альных системах были более подробно рассмотрены им в кни- ности технологических процессов, характеризующихся боль-
ге «Кибернетика и общество», опубликованной в 1954 г. шим количеством разнообразных показателид, то становится
ясным, что отсутствие механизации информационных процес-
Название «кибернетика» происходит от греческого «кк>-
сов тормозит дальнейший научно-технический прогресс. Пе-
бернетес», что первоначально означало «рулевой», «кормчий»,
речисленные факторы в совокупности и обусловили быстрое
но впоследствии стало обозначать и «правитель над людьми».
развитие кибернетики и ее технической базы - кибернетичес-
Так, древнегреческий философ Платон в своих сочинениях в
кой техники.
одних случаях называет кибернетикой искусство управления
кораблем или колесницей, а в других — искусство править Необходимость или целесообразность замещения че-
людьми. Примечательно, что римлянами слово «кюбернетес» ловека автоматом определяется одной из следующих при-
было преобразовано в «губернатор». чин.
Известный французский ученый-физик А. М. Ампер Во-первых, функционирование объекта управления мо-
(1775—1836 гг.) в своей работе «Опыт о философии наук, или жет характеризоваться такими большими скоростями, что че-
Аналитическое изложение естественной классификации всех ловек в силу нейрофизиологических ограничений скорости
человеческих знаний», первая часть которой вышла в 1834 г., своей реакции не может достаточно быстро, в темпе функцио-
назвал кибернетикой науку о текущем управлении государ- нирования объекта или, как принято говорит)), в реальном мас-
ством (народом), которая помогает правительству решать вста- штабе времени, осуществлять необходимые уг равляющие воз-
ющие перед ним конкретные задачи с учетом разнообразных действия. Данное ограничение относится в той или иной мере,
обстоятельств в свете общей задачи обеспечить стране мир и например, к процессам управления самолетами, космическими
процветание. кораблями, ракетами, атомными и химическими реакциями.
Однако вскоре термин «кибернетика» был забыт и, как Во-вторых, управляющий автомат оказывается необхо-
отмечалось ранее, возрожден в 1948 г. Винером в качестве димым, когда управление должно осуществляться в тех мес-
Кибернетика 255

тах, где присутствие человека либо невозможно, либо связано Изучением всех перечисленных вопросов занимаются
с большими трудностями и затратами (космические аппараты, механика, электротехника, физика, химия, биология. Предмет
другие планеты, опасные и вредные производственные поме- кибернетики составляют только те стороны функциони-
щения), а телеуправление по тем или иным причинам невоз- рования систем, которыми определяется протекание в них
можно или нецелесообразно. процессов управления, т. е. процессов сбора, обработки, хра-
нения информации и ее использования для целей управления.
В-третьих, в ряде производственных процессов автома-
Однако когда те или иные частные физико-химические про-
тическое управление способно обеспечить более высокие
цессы начинают существенно влиять на процессы управления
показатели точности изготовления изделий и улучшение дру-
системой, кибернетика должна включать их в сферу своего
гих качественных показателей.
исследования, но не всестороннего, а именно с позиций их
Наконец, в-четвертых, даже и в тех случаях, когда чело-
воздействия на процессы управления. Таким образом, пред-
век может успешно управлять некоторым производственным
метом изучения кибернетик!! являются процессы управления
процессом, применение управляющих автоматов даст значи-
в сложных динамических системах.
тельный экономический эффект за счет существенного сни-
жения трудовых затрат. Всеобщим методом познания, в равной степени примени-
мым к исследованию всех явлений природы и общественной
жизни, служит материалистическая диалектика. Однако, кро-
ме общефилософского метода, в различных областях науки
3. ПРЕДМЕТ, МЕТОДЫ И ЦЕЛИ КИБЕРНЕТИКИ
применяется большое количество специальных методов.
До недавнего времени в биологических и социально-
Специфика этой науки заключается в том, что она изуча-
экономических науках современные математические методы
ет не вещественный состав систем и не их структуру, а резуль-
применялись в весьма ограниченных масштабах. Только пос-
тат работы данного класса систем. В кибернетике впервые
лед-ние десятилетия характеризуются значительным расши-
было сформулировано понятие «черного ящика» как устрой-
рением использования в этих областях теории вероятностей
ства, которое выполняет определенную операцию над настоя-
и математической статистики, математической логики и тео-
щим и прошлым входного потенциала, но для которого мы
рии алгоритмов, теории множеств и теории графов, теории
необязательно располагаем информацией о структуре, обеспе-
игр и исследования операций, корреляционного анализа, ма-
чивающей выполнение этой операции.
тематического программирования и других математических
Кибернетика как наука об управлении объектом своего
методов. Теория и практика кибернетики непосредствен-
изучения имеет управляющие системы. Для того чтобы в
но базируются на применении математических методов
системе могли протекать процессы управления, она должна
при описании и исследовании систем и процессов управле-
обладать определенной степенью сложности. С другой сто-
ния, на построении адекватных им математических моделей и
роны, осуществление процессов управления в системе имеет
решении этих моделей на быстродействующих ЭВМ. Таким
смысл только в том случае, если эта система изменяется, дви-
образом, одним из основных методов кибернетики является
жется, т. е. если речь идет о динамической системе. Поэтому
метод математического моделирования систем и процессов
можно уточнить, что объектом изучения кибернетики яв-
управления.
ляются сложные динамические системы. К сложным ди-
Системы изучаются в кибернетике по их реакциям на внеш-
намическим системам относятся и живые организмы (живот-
ние воздействия, другими словами, по тем функциям, которые
ные и растения), и социально-экономические комплексы
они выполняют. Наряду с вещественным и структурным под-
(организованные группы людей, бригады, подразделения,
ходами, кибернетика ввела в научный обиход функциональный
предприятия, отрасли промышленности, государства), и тех-
подход как вариант системного подхода в широком смысле
нические агрегаты (поточные линии, транспортные средства,
слова. Применение системного и функционального подходов
системы агрегатов).
при описании и исследовании сложных систем относится к
Однако, рассматривая сложные динамические системы,
основным методологическим принципам кибернетики.
кибернетика не ставит перед собой задач всестороннего изу-
Системный подход выражается в комплексном изучении
чения их функционирования. Хотя кибернетика и изучает об-
системы с позиций системного анализа, т. е. анализа проблем и
щие закономерности управляющих систем, их конкретные
объектов как совокупности взаимосвязанных элементов, исхо-
физические особенности находятся вне поля ее зрения. Так,
дя из представлений об определенной целостности системы.
при исследовании с позиций кибернетической науки такой
Функциональный анализ имеет своей целью выявление
сложной динамической системы, как мощная электростанция,
и изучение функциональных последствий тех или иных яв-
мы не сосредоточиваем внимание непосредственно на вопросе
лений или событий для исследуемого объекта. Соответствен-
о коэффициенте ее полезного действия, габаритах генерато-
но, функциональный подход предполагает учет результатов
ров, физических процессах генерирования энергии и т. д. Рас-
функционального анализа при исследовании и синтезе сис-
сматривая работу сложного электронного автомата, МЫ не
тем управления.
интересуемся, на основе каких элементов (электромеханичес-
Основная цель кибернетики как науки об управлении —
кие реле, ламповые или транзисторные триггеры, ферритовые
добиваться построения на основе изучения структур и меха-
сердечники, полупроводниковые интегральные схемы) функ-
низмов управления таких систем, такой организации их рабо-
ционируют его арифметические и логические устройства, па-
ты, такого взаимодействия элементов внутри этих систем и
мять и др. Нас интересует, какие логические функции выпол-
такого взаимодействия с внешней средой, чтобы результаты
няют эти устройства, как они участвуют в процессах управле-
функционирования этих систем были наилучшими, т. е. при-
ния. Изучая, наконец, с кибернетической точки зрения работу
водили бы наиболее быстро к заданной цели функционирова-
некоторого социального коллектива, мы не вникаем в биофи-
ния при минимальных затратах тех или иных ресурсов (сырья,
зические и биохимические процессы, происходящие внутри
Л(рргии, человеческого труда, машинного времени, горючего
организма индивидуумов, образующих этот коллектив.
256 Информатика

и т. д.). Все это можно определить кратко термином «оптими- нала, передающего информацию, не зависит 01 количества энер-
зация». Таким образом, основной целью кибернетики явля- гии, которая используется для передачи сиплла. Тем не менее
ется оптимизация систем управления. энергия и информация связаны между собо1 Винер приводит
Для исследования систем кибернетика использует три такой пример: «Кровь, оттекающая от мозг;;, на долю градуса
принципиально различных метода: математический анализ, теплее, чем кровь, притекающая к нему».
физический эксперимент и вычислительный эксперимент.
Первые два из них широко применяются и в других нау-
ках. Сущность первого метода состоит в описании изучаемого 5. МЕСТО КИБЕРНЕТИКИ В СИСТЕМЕ НАУК
объекта в рамках того или иного математического аппарата
(например, в виде системы уравнений) и последующего из- Внутри самой кибернетики существуе-. несколько основ-
влечения различных следствий из этого описания путем мате- ных направлений.
матической дедукции (например, путем решения соответству- Теоретическая кибернетика, подоб1 о математике, яв-
ющей системы уравнений). Сущность второго метода состоит ляется, по существу, абстрактной наукой. Ни задача — разра-
в проведении различных экспериментов либо с самим объек- ботка научного аппарата и методов исследования систем уп-
том, либо с его реальной физической моделью. равления независимо от их конкретной прлроды. В теорети-
Достижением кибернетики является разработка и ши- ческую кибернетику вошли и получили дальнейшее развитие
рокое использование нового метода исследования, получив- такие разделы прикладной математики, как теория информа-
шего название вычислительного или машинного эксперимен- ции и теория алгоритмов, теория игр, иссл; глвание операций
та, иначе называемого математическим моделированием. и др. Ряд проблем теоретической кибернетики разработан уже
Смысл его в том, что эксперименты производятся не с реаль- непосредственно в недрах этого научного нал давления, а имен-
ной физической моделью изучаемого объекта, а с его матема- но: теория логических сетей, теория автоматов, теория фор-
тическим описанием, реализованным в компьютере. Огромное мальных языков и грамматик, теория преобразователей ин-
быст-родействие современных компьютеров зачастую позво- формации и т. д.
ляет моделировать процессы в более быстром темпе, чем они Теоретическая кибернетика включает гакже общемето-
происходят в действительности. дологические и философские проблемы этой науки.
Прикладная кибернетика, в зависимости от типа изуча-
емых систем управления, подразделяется на техническую, био-
логическую и социальную кибернетику.
4. КИБЕРНЕТИКА И ИНФОРМАЦИЯ
Техническая кибернетика — наука об управлении тех-
В исследовании кибернетикой способов связи и моде- ническими системами. Техническую кибернетику часто отож-
лей управления ей понадобилось еще одно понятие, которое дествляют с современной теорией автомат! 1ческого регули-
было давно известно, но впервые получило фундаменталь- рования и управления. Эта теория, конечне, служит важной
ный статус в естествознании — понятие информации (с ла- составной частью технической кибернетики, но последняя
тинского — ознакомление) как меры организованности сис- вместе с тем включает вопросы разработки и конструиро-
темы в противоположность понятию энтропии как меры не- вания автоматов (в том числе современных ЭВМ и робо-
организованности. тов), а также проблемы технических средств сбора, переда-
чи, хранения и преобразования информации, опознания об-
Чтобы яснее стало значение информации, рассмотрим
разов и т. д.
деятельность идеального существа, получившего название
«демон Максвелла». Идею такого существа, нарушающего Биологическая кибернетика изучает оощие законы хра-
нения, передачи и переработки информации Б биологических
второе начало термодинамики, Максвелл изложил в «Теории
теплоты», вышедшей в 1871 г.: «Когда частица со скоростью системах. Биологическую кибернетику в спою очередь под-
выше средней подходит к дверце из отделения А или частица разделяют на медицинскую, которая занимается главным об-
со скоростью ниже средней подходит к дверце из отделения В, разом моделированием заболеваний и использованием этих
привратник открывает дверцу и частица проходит через от- моделей для диагностики, прогнозирования и лечения; фи-
верстие; когда же частица со скоростью ниже средней подхо- зиологическую, изучающую и моделируюглую функции кле-
ток и органов в норме и патологии; нейрокибернетику, в
дит из отделения А или частица со скоростью выше средней
подходит из отделения В, дверца закрывается. Таким обра- которой моделируются процессы переработки информации
зом, в отделении А их концентрация уменьшается. Это вызы- в нервной системе; психологическую, моделирующую психи-
вает очевидное уменьшение энтропии, и если соединить оба ку на основе изучения поведения человека. Промежуточным
отделения тепловым двигателем, мы как будто получим веч- звеном между биологической и технической кибернетикой яв-
ный двигатель второго рода». ляется бионика — наука об использовании моделей биологи-
ческих процессов и механизмов в качестве прототипов для
Кибернетика выявляет зависимости между информа-
совершенствования существующих и создания новых техни-
цией и другими характеристиками систем. Работа «демона
ческих устройств.
Максвелла» позволяет установить обратно пропорциональную
зависимость между информацией и энтропией. С повышением Социальная кибернетика — наука, в которой использу-
энтропии уменьшается информация, и наоборот — понижение ются методы и средства кибернетики в целях исследования и
энтропии увеличивает информацию. Связь информации с энт- организации процессов управления в социальных системах.
ропией свидетельствует и о связи информации с энергией. Необходимо, однако, учитывать, что социальная кибернетика,
Энергия (от греческого energeia — деятельность) харак- изучающая закономерности управления обиеством в количе-
теризует общую меру различных видов движения и взаи- ственном аспекте, не может стать всеобъемлющей наукой об
модействия в формах: механической, тепловой, электромаг- управлении обществом, характеризующим::! в значительно»
нитной, химической, гравитационной, ядерной. Точность сиг- мере неформализуеммми явлениями л процессами.
Кибернетика 257

В связи с этим наибольшие практические успехи в совре- блемами моделирования — о сущности, типах и свойствах ма-
менных условиях могут быть достигнуты в результате приме- териальных и идеальных моделей, их адекватности и границах
нения кибернетики в области управления экономикой, произ- применения. С задачами бионического моделирования и со-
водственной деятельностью как важнейшими основами раз- зданием универсальных кибернетических автоматов, роботов
вития общества. Среди социальных подсистем именно эконо- и искусственного интеллекта связана проблема о предельных
мика характеризуется наиболее развитой системой количе- возможностях таких систем и о сравнении возможностей пе-
ственных показателей и соотношений. Сферой экономичес- реработки информации кибернетическими машинами и чело-
веком. Создание автоматизированных человеко-машинных
кой кибернетики являются проблемы оптимизации управле-
систем управления поднимает философские вопросы о роли
ния экономикой в целом, его отдельными отраслями, эконо-
человека в этих системах и о характере своеобразного симби-
мическими районами, промышленными комплексами, предпри-
оза человека и машины.
ятиями и т. д.
В качестве основного метода экономической кибернети-
ки используется экономико-математическое моделирование,
позволяющее представить динамику развития производствен- 6. РОЛЬ И ЗНАЧЕНИЕ КИБЕРНЕТИКИ
но-экономических систем, разрабатывать меры по улучшению
их структуры и методы экономического прогнозирования и Общее значение кибернетики заключается в следующих
управления. Основным направлением и одной из важнейших направлениях:
целей экономической кибернетики в настоящее время стала 1. Философское значение, поскольку кибернетика дает
разработка теории построения и функционирования автома- новое представление о мире, основанное на роли связи, управ-
тизированных систем управления (АСУ). Необходимость со- ления, информации, организованности, обратной связи и ве-
здания АСУ обусловливается высокими темпами роста про- роятности.
изводства, углублением его специализации, расширением коо- 2. Социальное, поскольку кибернетика дает новое пред-
перирования предприятии, существенным увеличением числа ставление об обществе как организованном целом.
межхозяйственных связей и их усложнением. В ходе разви- 3. Общенаучное в трех смыслах: во-первых, потому что
тия этих процессов происходит снижение эффективности тра- кибернетика дает общенаучные понятия, которые оказываются
диционных методов управления производством, возникает важными в других областях науки — понятия управления, слож-
настоятельная необходимость привлечения на помощь руко- нодинамической системы и тому подобное; во-вторых, потому
водителю кибернетической техники, т. е. создания систем уп- что дает науке но^ые методы исследования: вероятностные,
равления «человек — машина» которые нашли реальное во- стохастические, моделирования на ЭВМ и т. д.; в-третьих, по-
площение в виде АСУ. Особенности сельскохозяйственного тому что на основе функционального подхода «сигнал/от-
производства (территориальная рассредоточенность, большая клик» кибернетика формирует гипотезы о внутреннем соста-
длительность производственных циклов, сильное влияние слу- ве и строении систем, которые затем могут быть проверены в
чайных факторов и др.) повышают значение АСУ в управле- процессе содержательного исследования.
нии им. 4. Методологическое, определяющееся тем, что изуче-
Кибернетика — обобщающая наука, исследующая биоло- ние функционирования более простых технических систем
гические, технические и социальные системы. Однако предме- используется для выдвижения гипотез о механизме работы
том ее исследования служат не все вопросы структуры и пове- качественно более сложных систем с целью познания проис-
дения этих систем, а только те из них, которые связаны с про- ходящих в них процессов — воспроизводства жизни, обуче-
цессами управления. Следовательно, являясь междисципли- ния и так далее.
нарной наукой, кибернетика не претендует на роль наддис- 5. Наиболее известно техническое значение киберне-
циплинарной науки. Если, например, философия оперирует тики — создание на основе кибернетических принципов ЭВМ,
такими универсальными категориями, как материя, время, про- роботов, ПЭВМ, породившее тенденцию кибернетизации и ин-
странство, то кибернетика имеет дело непосредственно лишь с форматизации не только научного познания, но и всех сфер
категорией информации, являющейся свойством особым об- жизни.
разом организованной материи.
Таким образом, место кибернетики в системе наук мож-
но определить следующим образом. Кибернетика охватывает 7. КИБЕРНЕТИКА И КОМПЬЮТЕРЫ
все науки, но не полностью, а лишь в той их части, которая
относится к сфере процессов управления, связанных с этими Из числа сложных технических преобразователей инфор-
науками и соответственно с изучаемыми ими системами. Фи- мации наибольшее значение имеют компьютеры. Компьютеры
лософия же, объясняя эти закономерности, общие для всех обладают свойством универсальности. Это означает, что лю-
наук, рассматривает наряду с ними и кибернетику как сферу бые преобразования буквенно-цифровой информации, которые
действия общефилософских законов диалектического мате- могут быть определены произвольной конечной системой пра-
риализма. вил любой природы (арифметических, грамматических и др.),
могут быть выполнены компьютером после введения в него
Каковы же основные философские проблемы, возник-
составленной должным образом программы. Другим извест-
шие в связи с появлением и развитием кибернетики как ново-
ным примером универсального преобразователя информации
го научного направления? Это прежде всего вопрос о приро-
(хотя и основанного на совершенно иных принципах) являет-
де н свойствах информации как основной категории киберне-
ся человеческий мозг. Свойство универсальности современ-
тики, вопросы диалектики структуры и развития сложных
ных компьютеров открывает возможность моделирования г.
систем, их иерархии, зависимости их свойств от количества
их помощью любых других преобразователей информации, в
элементов, взаимодействия с внешней средой. Ряд методоло-
том числе мыслительных процессов. Таким образом, с момен-
гических и философских вопросов возникает в свяли с про-
258 Информатика

та своего возникновения компьютеры представляют со- но и для беспокойства, связанного как с роботизацией самого
человека, так и с проблемой возможного «буи fa машин», вы-
бой основное техническое средство, основной аппарат ис-
хода их из-под контроля людей и даже порабощения ими че-
следования, которым располагает кибернетика.
ловека. Конечно, в XX веке это была не более "ем далекая от
Точно так же, как разнообразные машины и механизмы
реальности фантастика.
облегчают физический труд людей, компьютеры облегчают
его умственный труд, заменяя человеческий мозг в его наибо-
лее простых и рутинных функциях. Компьютеры действуют
по принципу «да-нет», и этого достаточно для того, чтобы 8. ПРИМЕНЕНИЕ КИБЕРНЕТИКИ -
создать вычислительные машины, хотя и уступающие челове- МОДЕЛИРОВАНИЕ
ческому мозгу в гибкости, но превосходящие его по быстроте
выполнения вычислительных операций. Аналогия между ком- Благодаря развитию ЭВМ метод моделирования и стал
пьютерами и мозгом человека дополняется тем, что компьюте- основным инструментом кибернетики. Приме немые модели
ры как бы играют роль центральной нервной системы для ус- становятся все более масштабными: от модели функциони-
тройств автоматического управления. рования предприятия и экономической отрасли до комплекс-
ных моделей управления биогеоценозами, эколого-экономи-
Введенное в кибернетике понятие самообучающихся ма-
ческих моделей рационального природопользезания в преде-
шин аналогично воспроизводству живых систем. И то, и дру-
лах целых регионов, до глобальных моделей.
гое подразумевает создание систем, подобных или идентич-
В 1972 г. на основе метода «системной динамики»
ных родителю. Это относится как к машинам, так и к живым
Дж. Форрестера были построены первые так называемые
системам.
«модели мира», нацеленные на выработку сценариев разви-
Процесс воспроизводства — это всегда динамический
тия всего человечества в его взаимоотношениях с биосфе-
процесс, включающий какие-то силы или их эквиваленты.
рой. Их недостатки заключались в чрезмерно з асокой степе-
Винер так сформулировал гипотезу воспроизводства, кото-
ни обобщения переменных, характеризующих процессы, про-
рая позволяет предложить единый механизм самовоспроиз-
текающие в мире; отсутствии данных об особевностях и тра-
водства для живых и неживых систем: «Один из возможных
дициях различных культур и т. д. Однако это оказалось очень
способов представления этих сил состоит в том, чтобы помес-
многообещающим направлением. Постепенно указанные не-
тить активный носитель специфики молекулы в частотном стро-
достатки преодолевались в процессе создания последующих
ении ее молекулярного излучения, значительная часть кото-
глобальных моделей, которые принимали ВС'? более конст-
рого лежит, по-видимому, в области инфракрасных электро-
руктивный характер, ориентируясь на расемстрение вопро-
магнитных частот или даже ниже. Может оказаться, что спе-
сов улучшения существующего эколого-эк комического
цифические вещества (вирусы) при некоторых обстоятель-
положения на планете.
ствах излучают инфракрасные колебания, обладающие спо-
собностью содействовать формированию других молекул ви- М. Месаровичем и Э. Пестелем были построены глобаль-
руса из неопределенной магмы аминокислот и нуклеиновых ные модели на основе теории иерархических систем, а В. Леон-
кислот. Вполне возможно, что такое явление позволительно тьевым — на основе разработанного им в экономике метода
рассматривать как некоторое притягательное взаимодействие «затраты-выпуска». Дальнейший прогресс в глобальном мо-
частот». делировании ожидается на путях построения моделей, все бо-
лее адекватных реальности, сочетающих в себе глобальные,
Современные ЭВМ значительно превосходят те, кото-
региональные и локальные моменты.
рые появились на заре кибернетики. Еще Ю.лет назад специа-
Простираясь на изучение все более сложньх систем, ме-
листы сомневались, что шахматный компьютер когда-нибудь
тод моделирования становится необходимым средством как
сможет обыграть приличного шахматиста, однако теперь он
познания, так и преобразования действительности. В настоя-
почти на равных сражается с чемпионом мира. То, что машина
щее время можно говорить о преобразовательной функции
чуть было не выиграла у Каспарова за счет громадной скоро-
моделирования как об одной из основных, вылолняя кото-
сти перебора вариантов (100 миллионов в секунду против
рую, оно вносит прямой вклад в оптимизацию сложных сис-
двух у человека), остро ставит вопрос не только о возможно-
тем. Преобразовательная функция моделирования способству-
стях компьютеров, но и о том, что такое человеческий разум.
ет уточнению целей и средств реконструкции реат ьности. Свой-
Предполагалось два десятилетия назад, что ЭВМ будут
ственная моделированию трансляционная функция способству-
с годами все более мощными и массивными, но вопреки про-
ет синтезу знаний — задаче, имеющей первостепенное значе-
гнозам крупнейших ученых были созданы персональные ком-
ние на современном этапе изучения мира.
пьютеры, которые стали повсеместным атрибутом нашей жиз-
ни. В перспективе нас ждет всеобщая компьютеризация и со- Прогресс в области моделирования следует ожидать не
здание человекоподобных роботов. на пути противопоставления одних типов моделей другим, а
на основе их синтеза. Универсальный характер моделирова-
Однако надо иметь в виду, что человек — не только логи-
ния на ЭВМ дает возможность синтеза самых ргзнообразных
чески мыслящее существо, но и творческое, и эта способность
знаний, а свойственный моделированию на ЭВМ функцио-
есть результат всей предшествующей эволюции. Если же бу-
нальный подход служит целям управления сложными систе-
дут построены не просто человекоподобные роботы, но и пре-
мами.
восходящие его по уму, то это повод не только для радости,
259


ИСТОРИЯ СОЗДАНИЯ ПЕРСОНАЛЬНОГО КОМПЬЮТЕРА
План
t. История ЭВМ.
1.1. Развитие элементной базы компьютеров.
1.2. История вычислительных машин.
1.3. Появление персональных компьютеров.
2. Персональные компьютеры будущего (= 2010 год).




1. ИСТОРИЯ ЭВМ Первым, кому пришла в голову мысль о практическом
использовании «эффекта Эдисона», был английский физик
Развитие торговли и науки повлекло за собой увеличе- Дж. А. Флеминг (1849-1945 гг.). Работая с 1882 г. консуль-
ние потребности в вычислениях. Причем сами вычисления тантом эдисоновской компании в Лондоне, он узнал о «явле-
становились все сложнее и сложнее. Устный счет и простые нии» из первых уст — от самого Эдисона. Свой диод — двух-
приспособления не могли удовлетворить эти потребности. электродную лампу — Флеминг создал в 1904 г.
Поэтому многие математики и инженеры потратили годы тру- В октябре 1906 г. американский инженер Ли де Форест
да на создание машин, облегчающих счет. изобрел электронную лампу — усилитель, или аудион, как он
Однако основным потребителем таких машине XX веке ее тогда назвал, имевший третий электрод — сетку. Им был
стали военные. Расчеты траекторий ракет и снарядов, обсчет предложен принцип, на основе которого строились все даль-
аэродинамики самолетов, навигационные расчеты становились нейшие электронные лампы, — управление током, протекаю-
все сложнее, и делать их нужно было все быстрее. щим между анодом и катодом, с помощью других вспомога-
«Крестной матерью» вычислительной техники в совре- тельных элементов.
менном ее понимании стала Вторая мировая война. Для рас- В 1910 г. немецкие инженеры Либен, Рейне и Штраус
шифровки кодов шифровальной машины «Энигма», которой сконструировали триод, сетка в котором выполнялась в фор-
пользовались немецкие военно-морские силы для передачи ме перфорированного листа алюминия и помещалась в цен-
секретных сообщений в Блечли-Парк, в Англии были собра- тре баллона, а чтобы увеличить эмиссионный ток, они пред-
ны лучшие математики Великобритании и США. Они не толь- ложили покрыть нить накала слоем окиси бария или каль-
ко сумели создать дешифровальные машины, которые прак- ция.
тически моментально расшифровывали коды «Энигмы», но и В 1911 г. американский физик Ч. Д. Кулидж предложил
заложили основу для развития вычислительной техники в применить в качестве покрытия вольфрамовой нити накала
послевоенный период. окись тория — оксидный катод — и получил вольфрамовую
проволоку, которая осуществила переворот в ламповой про-
После Второй мировой войны долгое время только воен-
мышленности.
ные были основными заказчиками работ по созданию вычис-
В 1915 г. американский физик Ирвинг Ленгмюр скон-
лительных машин в силу их высокой стоимости. Но чем даль-
струировал двухэлектронную лампу — кенотрон, применяе-
ше продвигалась работа, чем совершеннее и дешевле станови-
мую в качестве выпрямительной лампы в источниках пита-
лись созданные машины, тем больше появлялось среди заказ-
ния. В 1916 г. ламповая промышленность стала выпускать
чиков совершенно мирных организаций: научных институтов,
особый тип конструкции ламп — генераторные лампы с во-
университетов, метеорологических центров и пр.
дяным охлаждением.
Но лишь с появлением персонального компьютера ос-
Идея лампы с двумя сотками — тетрода — была высказа-
новным потребителем, финансирующим ученых и инженеров,
на в 1919 г. немецким физиком Вальтером Шоттки и незави-
стали обычные граждане.
симо от него в 1923 г. — американцем Э. У. Халлом, а реализо-
вана эта идея англичанином X. Дж. Раундом во второй поло-
1.1. Развитие элементной базы компьютеров
вине 20-х годов прошлого века.
В 1883 г. Томас Альва Эдисон, пытаясь продлить срок В 1929 г. голландские ученые Г. Хольст и Б. Теллеген
службы лампы с угольной нитью, ввел в ее вакуумный баллон создали электронную лампу с 3-мя сетками - пентод. В
платиновый электрод и положительное напряжение и выяснил, 1932 г. был создан гептод, в 1933 г. — гексод и пентагрид, в
что в вакууме между электродом и нитью начинает протекать 1935 г. появились лампы в металлических корпусах.. Даль-
ток. Не найдя никакого объяснения столь необычному явле- нейшее развитие электронных ламп шло по пути улучшения
нию, Эдисон ограничился тем, что подробно описал его, на вся- их функциональных характеристик, по пути многофункцио-
кий случай взял патент и отправил лампу на Филадельфийскую нального использования.
выставку. О ней в декабре 1884 г. в журнале «Инженеринг» В 1940—50-х годах компьютеры создавались на основе
была заметка «Явление в лампочке Эдисона». электронных ламп. Поэтому компьютеры были очень боль-
Американский изобретатель не распознал открытия ис- шими (они занимали огромные залы), дорогими и ненадежны-
ключительной важности (по сути, это было его единственное ми, ведь электронные лампы, как и обычные лампочки, часто
фундаментальное открытие — термоэлектронная эмиссия). Он перегорают. Но в 1948 г. были изобретены транзисторы -
не понял, что его лампа накаливания с платиновым электро- миниатюрные и недорогие электронные приборы, которые
дом по существу была первой в мире электронной лампой. смогли заменить электронные лампы. Это привело к уменьше-
260 Информатика

пию размеров компьютеров в сотни раз и повышению их на- тов производились человеком, а скорость его работы весь-
дежности. ма ограничена.
Первые компьютеры на основе транзисторов появились Еще в первой половине XIX в. английски! математик
D конце 1950-х годов, а к середине 1960-х годов были созда- Чарльз Бэббидж попытался построить универсальное вычис-
ны и значительно более компактные внешние устройства для лительное устройство, то есть компьютер. Бэббидж называл
компьютеров, что позволило фирме Digital Equipment выпу- его аналитической машиной. Именно Бэббидл: впервые до-
стить в 1965 г. первый мини-компьютер PDP-8 размером с думался до того, что компьютер должен содержать память и
холодильник и стоимостью всего 20 тыс. долл. (для сравне- управляться с помощью программы. Бэббидж дател постро-
ния — компьютеры 1940—50-х годов обычно стоили милли- ить свой компьютер как механическое устройство, а програм-
оны долл.). мы собирался задавать посредством перфокарт •- карт из плот-
После появления транзисторов наиболее трудоемкой ной бумаги с информацией, наносимой с помощью отверстий
операцией при производстве компьютеров было соединение и (они в то время уже широко применялись в ткы.ких станках).
спайка транзисторов для создания электронных схем. Но в Однако довести до конца эту работу Бэббидж не смог: она
1959 г. Роберт Нойс (будущий основатель фирмы Intel) изо- оказалась слишком сложной для техники того иремени.
брел способ, позволяющий создавать на одной пластине крем- Первым реализовал идею перфокарт Холл зрит. Он изо-
ния транзисторы и все необходимые соединения между ними. брел машину для обработки результатов переписи населения.
Полученные электронные схемы стали называться интеграль- В своей машине он впервые применил электричество для рас-
ными схемами, или чипами. В 1968 г. фирма Burroughs выпу- четов.
стила первый компьютер на интегральных схемах, а в 1970 г. В 40-х годах XX в. сразу несколько rpyni исследовате-
фирма Intel начала продавать интегральные схемы памяти. В лей повторили попытку Бэббиджа на основе техники XX в. —
дальнейшем количество транзисторов, которое удавалось раз- электромеханических реле. Некоторые из этих исследовате-
местить на единице площади интегральной схемы, увеличива- лей ничего не знали о работах Бэббиджа и перготкрыли его
лось приблизительно вдвое каждый год, что и обеспечивает идеи заново. Первым из них был немецкий ивкенер Конрад
постоянное уменьшение стоимости компьютеров и повыше- Цузе, который в 1941 г. построил небольшой бомпьютер на
ние их быстродействия. основе нескольких электромеханических реле. Но из-за вой-
В середине 1960-х годов председатель Intel Gordon Moore ны работы Цузе не были опубликованы. А в CEIA в 1943 г. на
вывел принцип, или закон, который остается верным уже боль- одном из предприятий фирмы IBM (International Business
ше трех десятилетий: количество транзисторов в каждом чипе Machines Corporation) американец Говард Эйкея создал более
кремниевой интегрированной микросхемы процессора удваи- мощный компьютер под названием «Марк-1». Он уже прово-
вается каждые два года, и стоимость каждого чипа процессора дил вычисления в сотни раз быстрее, чем вручную (с помощью
уменьшается вдвое. арифмометра) и реально использовался для вое я ы х расчетов.
Процессор 8086, выпущенный в 1978 г., содержал 29 тыс. В нем использовалось сочетание электрических с чгналов и ме-
транзисторов, 80386 (1985 г.) - 275 тыс., Pentium (1993 г.) - ханических приводов. «Марк-1» имел размеры 15x2,5 м и со-
3.1 млн, Pentium !!! (1999 г.) - 18 млн, a Pentium 4 (2001 г.) - 42 держал 750 000 деталей, он мог перемножить два 23-разряд-
млн транзисторов. ных числа за 4 с.
Однако электромеханические реле работают весьма мед-
ленно и недостаточно надежно. Поэтому начик;ш с 1943 г. в
1.2. История вычислительных машин
США группа специалистов под руководством Длона Мочли и
Первым устройством, предназначенным для облегчения Преспера Экерта начала конструировать компьютер ENIAC на
вычислений, стали счеты. С помощью костяшек счетов можно основе электронных ламп. Созданный ими компьютер работал в
было совершать операции сложения и вычитания и неслож- тысячу раз быстрее, чем «Марк-1?. Но обнаружилось, что боль-
ные умножения. Однако счеты совершенно непригодны для шую часть времени этот компьютер простаивал, вел> для задания
операций над нецелыми числами и не могут производить слож- метода расчетов (программы) в этом компьютере приходилось в
ных операций. А потребности человечества в вычислениях течение нескольких часов или даже нескольких дней подсоеди-
все увеличивались. нять нужным образом провода. А сам расчет после этого мог
В 1642 г. французский математик Блез Паскаль скон- занять всего лишь несколько минут или даже секунд.
струировал первую механическую счетную машину «Пас- Чтобы упростить и ускорить процесс задания программ,
калина», которая могла механически выполнять сложение Мочли и Экерт стали конструировать новый компьютер, ко-
чисел. В 1673 г. Готфрид Вильгельм Лейбниц сконструиро- торый мог бы хранить программу в своей памяти. В 1945 г. к
вал арифмометр, позволяющий механически выполнять че- работе был привлечен знаменитый математик Джон фон Ней-
тыре арифметических действия. Начиная с XIX в. арифмо- ман, который подготовил доклад об этом компьютере. Доклад
метры получили очень широкое применение. На них вы- был разослан многим ученым и стал широко известен, по-
полняли даже очень сложные расчеты, например расчеты скольку в нем фон Нейман ясно и просто сформулировал об-
баллистических таблиц для артиллерийских стрельб. Су- щие принципы функционирования компьютеров, т. е. универ-
ществовала и специальная профессия — счетчик — человек, сальных вычислительных устройств. И до сих пор подавляю-
работающий с арифмометром, быстро и точно соблюдаю- щее большинство компьютеров сделано в соответствии с теми
щий определенную последовательность инструкций (такую принципами, которые изложил в своем докладе в (945 г. Джон
последовательность инструкций впоследствии стали назы- фон Нейман. Первый компьютер, в котором были воплощены
вать программой). Но многие расчеты производились очень принципы фон Неймана, был построен в 1949 г. английским
медленно — даже десятки счетчиков должны были работать исследователем Морисом Уилксом.
по нескольку недель и месяцев. Причина проста: при таких Разработка первой электронной серийной машины
расчетах выбор выполняемых действий и запись результа- UNIVAC (Universal Automatic Computer) начат;, примерно и
История создания персонального компьютера 261

1947 г. Экертом и Мочли, основавшими в декабре того же Мочли). Кроме того, необходимо отметить офицера ВМФ
года фирму ECKERT-MAUCHLI. Первый образец машины США и руководителя группы программистов, в то время
(UNIVAC-1) был построен для бюро переписи США и пущен капитана (в дальнейшем единственная в ВМФ женщина-ад-
в эксплуатацию весной 1951 г. Синхронная, последовательно- мирал) Грейс Хоппер, которая разработала первую програм-
го действия вычислительная машина UNIVAC-1 создана на му-компилятор. Кстати, термин «компилятор» впервые вве-
базе ЭВМ ENIAC и EDVAC. Работала она с тактовой частотой ла Г. Хоппер в 1951 г. Эта компилирующая программа про-
2.25 МГц И содержала около 5000 электронных ламп. Внутрен- изводила трансляцию на машинный язык всей программы,
нее запоминающее устройство с емкостью 1000 12-разрядных записанной в удобной для обработки алгебраической форме.
десятичных чисел было выполнено на 100 ртутных линиях Г. Хоппер принадлежит также авторство термина «баг» в при-
задержки. менении к компьютерам. Как-то через открытое окно в лабо-
Вскоре после ввода в эксплуатацию машины UNIVAC-1 раторию залетел жук (по-английски — bug), который, сев на
ее разработчики выдвинули идею автоматического програм- контакты, замкнул их, чем вызвал серьезную неисправность в
мирования. Она сводилась к тому, чтобы машина сама могла работе машины. Обгоревший жук был подклеен в админист-
подготавливать такую последовательность команд, которая ративный журнал, где фиксировались различные неисправно-
нужна для решения данной задачи. сти. Так был задокументирован первый баг в компьютерах.
Сильным сдерживающим фактором в работе конструк- Фирма IBM сделала первые шаги в области автоматиза-
торов ЭВМ начала 1950-х годов было отсутствие быстродей- ции программирования, создав в 1953 г. для машины IBM 701
ствующей памяти. По словам одного из пионеров вычисли- «Систему быстрого кодирования». В СССР А. А. Ляпунов пред-
тельной техники Д. Эккерта, «архитектура машины определя- ложил один из первых языков программирования. В 1957 г.
ется памятью». Исследователи сосредоточили свои усилия на группа под руководством Д. Бэкуса завершила работу над
запоминающих свойствах ферритовых колец, нанизанных на ставшим впоследствии популярным первым языком програм-
проволочные матрицы. мирования высокого уровня, получившим название ФОРТ-
В 1951 г. Дж. Форрестер опубликовал статью о примене- РАН. Язык, реализованный впервые на ЭВМ IBM 704, спо-
нии магнитных сердечников для хранения цифровой инфор- собствовал расширению сферы применения компьютеров.
мации. В машине «Whirlwind-1 о впервые была применена В Великобритании в июле 1951 г. на конференции в
память на магнитных сердечниках. Она представляла собой Манчестерском университете М. Уилкс представил доклад
2 куба 32 х 32 х 17 с сердечниками, которые обеспечивали «Наилучший метод конструирования автоматической маши-
хранение 2048 слов для 16-разрядных двоичных чисел с од- ны», который стал пионерской работой по основам микро-
ним разрядом контроля на четность. программирования. Предложенный им метод проектирования
устройств управления нашел широкое применение.
В разработку электронных компьютеров включилась
фирма IBM. В 1952 г. она выпустила свой первый промыш- Свою идею микропрограммирования М. Уилкс реализо-
ленный электронный компьютер IBM 701, который представ- вал в 1957 г. при создании машины EDSAC-2. М. Уилкс со-
лял собой синхронную ЭВМ параллельного действия, содер- вместно с Д. Уиллером и С. Гиллом в 1951 г. написали первый
жащую 4000 электронных ламп и 12 000 германиевых диодов. учебник по программированию «Составление программ для
Усовершенствованный вариант машины IBM 704 отличался электронных счетных машин».
высокой скоростью работы, в ней использовались индексные В 1956 г. фирма Ferranti выпустила ЭВМ «Pegasus», в
регистры и данные представлялись в форме с плавающей за- которой впервые нашла воплощение концепция регистров
пятой. общего назначения (РОН). С появлением РОН было устране-
но различие между индексными регистрами и аккумулятора-
После ЭВМ IBM 704 была выпущена машина IBM 709,
ми, и в распоряжении программиста оказался не один, а не-
которая в архитектурном плане приближалась к машинам вто-
сколько регистров-аккумуляторов.
рого и третьего поколений. В этой машине впервые была при-
менена косвенная адресация и впервые появились каналы вво-
да-вывода. 1,3. Появление персональных компьютеров
В 1956 г. фирмой IBM были разработаны плавающие
Вначале микропроцессоры использовались в различных
магнитные головки на воздушной подушке. Изобретение их
специализированных устройствах, например в калькулято-
позволило создать новый тип памяти — дисковые запоминаю-1
рах. Но в 1974 г. несколько фирм объявили о создании на
щие устройства (ЗУ), значимость которых была в полной мере
основе микропроцессора Intel-8008 персонального компью-
оценена в последующие десятилетия развития вычислительной
тера, т. е. устройства, выполняющего те же функции, что и
техники. Первые ЗУ на дисках появились в машинах IBM 305 и
большой компьютер, но рассчитанного на одного пользова-
RAMAC. Последняя имела пакет, состоявший из 50 металли-
теля. В начале 1975 г. появился первый коммерчески рас-
ческих дисков с магнитным покрытием, которые вращались
пространяемый персональный компьютер «Альтаир-8800» на
со скоростью 12 000 об./мин. На поверхности диска размеща-
основе микропроцессора Intel-8080. Этот компьютер прода-
лось 100 дорожек для записи данных, по 10 000 знаков каж-
вался по цене около 500 долл. И хотя возможности его были
дая.
весьма ограничены (оперативная память составляла всего
Вслед за первым серийным компьютером UNIVAC-1 фир-
256 байт, клавиатура и экран отсутствовали), его появление
ма Remington-Rand в 1952 г. выпустила ЭВМ UNIVAC-1103,
было встречено с большим энтузиазмом: в первые же меся-
которая работала в 50 раз быстрее. Позже в компьютере
цы было продано несколько тысяч комплектов машины.
UNIVAC-1103 впервые были применены программные пре-
Покупатели снабжали этот компьютер дополнительными ус-
рывания.
тройствами: монитором для вывода информации, клавиату-
Сотрудники фирмы Rernington-Rand использовали ал- рой, блоками расширения памяти и т. д. Вскоре эти устрой-
гебраическую форму записи алгоритмов под названием «Short ства стали выпускаться другими фирмами. В конце 1975 г.
Code» (пррвый интерпретатор, созданный R 1949 г. Джоном
262 Информатика

Пол Аллен и Билл Гейтс (будущие основатели фирмы Micro- как открытость архитектуры IBM PC повлияла на развитие
soft) создали для компьютера «Альтаир» интерпретатор язы- персональных компьютеров.
ка Basic, что позволило пользователям достаточно просто Перспективность и популярность IBM PC сделала весь-
общаться с компьютером и легко писать для него програм- ма привлекательным производство различны;; комплектую-
мы. Это также способствовало росту популярности персо- щих и дополнительных устройств для IBM PC. Конкуренция
нальных компьютеров. между производителями привела к удешевлению комплекту-
ющих и устройств. Очень скоро многие фирмы перестали до-
Успех «Альтаир-8800» заставил многие фирмы также за-
вольствоваться ролью производителей комплектующих для
няться производством персональных компьютеров. Персональ-
IBM PC и начали сами собирать компьютеры, совместимые с
ные компьютеры стали продаваться уже в полной комплекта-
IBM PC. Поскольку этим фирмам не требовалось нести ог-
ции, с клавиатурой и монитором, спрос на них составил десят-
ромные издержки фирмы IBM на исследования и поддержа-
ки, а затем и сотни тысяч штук в год. Появилось несколько
ние структуры громадной фирмы, они смогли продавать свои
журналов, посвященных персональным компьютерам. Росту
компьютеры значительно дешевле (иногда в 2—3 раза) анало-
объема продаж весьма способствовали многочисленные по-
гичных компьютеров фирмы IBM. Совместимые с IBM PC
лезные программы практического значения. Появились и ком-
компьютеры вначале презрительно называли «клонами», но
мерчески распространяемые программы, например программа
эта кличка не прижилась, так как многие фирм о [-производите-
для редактирования текстов WordStar и табличный процес-
ли IBM PC-совместимых компьютеров стали реализовывать
сор VisiCalc (1978 г. и 1979 г. соответственно). Эти и многие
технические достижения быстрее, чем сама IBM. Пользовате-
другие программы сделали покупку персональных компьюте-
ли получили возможность самостоятельно модернизировать
ров весьма выгодной для бизнеса: с их помощью стало воз-
свои компьютеры и оснащать их дополнительными устрой-
можно выполнять бухгалтерские расчеты, составлять доку-
ствами сотен различных производителей.
менты и т. д. Использование же больших компьютеров для
этих целей было слишком дорого.
В конце 1970-х годов распространение персональных
компьютеров даже привело к некоторому снижению спроса на
2. ПЕРСОНАЛЬНЫЕ КОМПЬЮТЕРЫ БУДУЩЕГО
большие компьютеры и мини-компьютеры (мини-ЭВМ). Это
(= 2010 ГОД)
стало предметом серьезного беспокойства фирмы IBM — ве-
дущей компании по производству больших компьютеров, и в
1979 г. фирма IBM решила попробовать свои силы на рынке Основой компьютеров будущего станут не кремниевые
персональных компьютеров. Однако руководство фирмы не- транзисторы, где передача информации осуще -"вляется элек-
дооценило будущую важность этого рынка и рассматривало тронами, а оптические системы. Носителем информации ста-
создание персонального компьютера всего лишь как мелкий нут фотоны, так как они легче и быстрее эле в тронов. В ре-
эксперимент — что-то вроде одной из десятков проводивших- зультате компьютер станет более дешевым и 5 злее компакт-
ся в фирме работ по созданию нового оборудования. Чтобы ным. Но самое главное, что оптоэлектронное з лчисление го-
не тратить на этот эксперимент слишком много денег, руко- раздо быстрее, чем то, что применяется сегодня, поэтому ком-
водство фирмы предоставило подразделению, ответственно- пьютер будет намного производительнее.
му за данный проект, невиданную в фирме свободу. В част- ПК будет мал по размерам и иметь мощь современных
ности, ему было разрешено не конструировать персональный суперкомпьютеров. ПК станет хранилищем информации, охва-
компьютер «с нуля», а использовать блоки, изготовленные тывающей все аспекты нашей повседневной жязни, он не бу-
другими фирмами. И это подразделение сполна использовало дет привязан к электрическим сетям. Этот ПК будет защищен
предоставленный шанс. от воров благодаря биометрическому сканеру, юторый будет
узнавать своего владельца по отпечатку пальца
В качестве основного микропроцессора компьютера
был выбран новейший тогда 16-разрядный микропроцес- Основным способом общения с компьютером будет го-
сор Intel-8088. Его использование позволило значительно лосовой. Настольный компьютер превратится Е СТОЛ, вернее,
увеличить потенциальные возможности компьютера, так как последний превратится в гигантский компьютерный экран —
новый микропроцессор позволял работать с 1 мегабайтом па- интерактивный фотонный дисплей. Клавиатура не понадобит-
мяти, а все имевшиеся тогда компьютеры были ограничены ся, так как все действия можно будет совершите прикоснове-
64 килобайтами. нием пальца. Но для тех, кто предпочитает клавиатуру, в лю-
бой момент на экране может быть создана виртуальная клави-
В августе 1981 г. новый компьютер под названием IBM PC
атура и удалена тогда, когда в ней не будет нужды.
был официально представлен публике, и вскоре после этого
Компьютер станет операционной системой дома, и дом
он приобрел большую популярность у пользователей. Через
начнет реагировать на потребности хозяина, будет знать его
пару лет компьютер IBM PC занял ведущее место на рынке,
предпочтения (приготовить кофе в 7 часов, запустить люби-
вытеснив модели 8-битовых компьютеров.
мую музыку, записать нужную телепередачу, отрегулировать
Секрет популярности IBM PC в том, что фирма IBM не
температуру и влажность и т. д.)
сделала свой компьютер единым неразъемным устройством и
Жесткий диск будет голографическим и чем-то будет
не стала защищать его конструкцию патентами. Наоборот, она
походить на CD-ROM или DVD. То есть это будет прозрач-
собрала компьютер из независимо изготовленных частей и не
ная вращающаяся пластинка с записывающим лазером с од-
стала держать спецификации этих частей и способы их соеди-
ной стороны и считывающим лазером с другой; объем хра-
нения в секрете. Напротив, принципы конструкции IBM PC
нимой информации на таком диске будет достигать просто
были доступны ъсеу. желающим. Этот подход, называемый
астрономических величин — несколько терабайт. При та-
принципом открытой архитектуры, обеспечил потрясающий
ких объемах можно будет хранить каждую мс/ ьчайшую де-
успех компьютеру IBM PC, хотя и лишил фирму IBM воз-
таль жизни.
можности единолично пользоваться плодами этого успеха. Вот
История создания персонального компьютера 263

Процессор ПК будущего будет функционировать по тем времени будет. Большой кэш сверхбыстрой энергонезависи-
же принципам, что и сегодня. Но вместо электронных микро- мой магнитной RAM (память с произвольным доступом) бу-
процессоров, которые являются и мозгом, и мускулами совре- дет содержать данные, срочно требующиеся процессору.
менного компьютера, процессор будущего будет иметь опто- Для нового быстрого кэша придется избавиться от не-
электронные интегральные схемы (чипы будут использовать эффективности сегодняшней синхронной динамической па-
кремний там, где требуется переключение, и оптику для ком- мяти, нуждающейся в постоянном обновлении. Неэффектив-
муникаций). Это даст огромный прирост в быстродействии и ность кэша сегодня такова, что две трети времени уходит на
эффективности. Сегодняшний компьютер тратит слишком мно- процессы обновления (таким образом, его реальная произво-
го времени на ожидание данных для обработки. Мгновенная дительность в три раза меньше).
оптическая связь и память, работающая так же быстро, как и Полупроводниковая технология будущего будет осно-
процессор, обеспечат непрерывный поток данных процессору вана не на кремниевой памяти, а на магнитной памяти в моле-
для обработки. При передаче данных со скоростью, не ограни- кулярном масштабе. Так как мельчайшие элементы будут на-
ченной больше электронной передачей, можно будет достиг- магничены для представления нулей и размагничены для пред-
нуть частот порядка 100 ГГц, то есть в 100 раз быстрее, чем ставления единиц, информация может быть легко и быстро
сегодня. обновлена простым электрическим сигналом. Весь процесс
Процессор будущего может быть шестигранником, окру- будет гораздо быстрее того, что мы имеем сегодня, и будет
женным со всех сторон быстрым кэшем так, чтобы требуемые вполне реально удовлетворять требования процессора, рабо-
данные могли быть выбраны из ближайшей части кэша. Имен- тающего на частоте 100 ГГц.
но таким образом и будет достигнута производительность се- Основная память компьютера будет вполне оптической,
годняшних супер-ЭВМ фактически голографической. Голографическая память имеет
При применении оптической связи в компьютерных тех- трехмерную природу, и можно эшелонировать любое количе-
нологиях будет получен тот самый эффект, который наблюда- ство плоскостей памяти в прямоугольное твердое тело. Объем
ли в 1980 г., когда компьютеры на базе 80286 имели память, чипа в 256 ГБ легко достижим.
работающую на частоте процессора. Скорость шины памяти — Компьютер будущего будет практически независим от
та скорость, с которой происходит обмен данными между про- источников электропитания. Одно из самых больших преиму-
цессором и памятью, — была равна частоте процессора (всего ществ фотонных цепей — крайне малое энергопотребление.
8 МГц). Процессор получал данные так же быстро, как мог их Небольшая, но длинная, подобная стержню литиевая батарея,
обработать, в результате процессор меньше находился в режи- изогнутая в тороид и установленная в компьютер, будет функ-
ме ожидания данных. ционировать пару недель. А подзарядить ее можно будет так
же легко, как сегодня подзарядить сотовый телефон.
Средний компьютер сегодня имеет процессор 1000 МГц
Размер экрана не будет играть никакой роли в компью-
и шину 133 МГц. Несмотря на различные технологические
терах будущего. Он может быль большим, как ваш рабочий
подвиги, процессор все еще тратит две трети времени на ожи-
стол, или маленьким. Большие варианты компьютерных эк-
дание данных.
ранов будут основаны на жидких кристаллах, возбуждаемых
Оптоэлектроника решит эту проблему. При должным
фотонным способом, которые будут иметь гораздо более
образом разработанной шине оптической памяти скорость
низкое энергопотребление, чем сегодняшние LCD-монито-
выборки данных из памяти будет снова приравнена к частоте
ры. Цвета будут яркими, а изображения — точными (воз-
процессора.
можны плазменные дисплеи). Фактически сегодняшняя кон-
Конечно, это потребует более быстрой обработки дан-
цепция «разрешающей способности» будет в значительно сте-
ных в памяти и, соответственно, другой, более быстрой, архи-
пени атрофирована.
тектуры памяти, которая, к счастью, уже есть или в скором
264 Информатика


ИЗ ЧЕГО СОСТОИТ
ПЕРСОНАЛЬНЫЙ КОМПЬЮТЕР
План
1. Материнская плата.
2. Процессор.
3. Основные характеристики центрального процессора.
4. Системная шина.
5. Порты.
5.1. Параллельные порты (LPT).
5.2. Последовательные порты (СОМ).
5.3. Порт PS/2.
5.4. Порт USB.
5.5. Порт FireWire.
6. Видеокарта.
7. Звуковая карта.



Тип и характеристики различных элементов и уст-
Внутри системного блока размещаются основные внут-
ройств материнской платы, как правило, огределяются ти-
ренние компоненты компьютера:
пом и архитектурой процессора. Именно профессор или про-
— материнская плата;
цессоры, их семейство, тип, архитектура и игнолнение опре-
— платы адаптеров (звуковая, видео- и сетевая карты);
деляют тот или иной вариант архитектурного исполнения
— процессор;
материнской платы. Материнские платы изготавливают, де-
— дисковые накопители;
лая главный упор на наилучшую совместимость именно с
— блок питания;
процессорами.
— соединительные шлейфы, шнуры и кабели;
В настоящее время существует две альтернативные архи-
— вентилятор системы охлаждения внутренних элементов;
тектуры процессоров и соответственно матер;неких плат для
— вентилятор и радиатор системы охлаждения процессора;
них — от компании Intel (Slot I, Slot 2, Socket 31Э, Socket 478) и
— слоты системной шкны.
от компании AMD (Slot A, Socket А). Первая поддерживает
Так как многие компоненты могут быть интегрированы
процессоры Intel Pentium II, Pentium "I, Celeron и Pentium 4, a
на материнской плате, то не все они могут быть представлены
вторая — AMD Athlon и Duron. Процессор одной архитекту-
как отдельные комплектующие элементы. Задняя панель, как
ры невозможно использовать в материнских платах, рассчи-
правило, содержит панели плат расширений с разъемами, за-
танных для другой.
глушки разъемов, вентиляционное отверстие вентилятора бло-
По числу процессоров, составляющих ца тральный про-
ка питания.
цессор, различают однопроцессорные и мно опроцессорные
(мультипроцессорные) материнские платы. Большинство пер-
сональных компьютеров являются однопроцессорными сис-
1. МАТЕРИНСКАЯ ПЛАТА
темами и комплектуются однопроцессорными материнскими
платами. На вид и комплектацию материнских плат влияют
Материнская плата является своеобразным «фундамен-
также требуемые эксплуатационные характеристики и буду-
том» для всех комплектующих компьютера. Именно в нее вты-
щее назначение компьютера.
каются все основные устройства: видеокарта, оперативная
память, процессор, жесткие диски и т. д. Другими словами, это
платформа, на которой строится вся остальная конфигурация
компьютера. 2. ПРОЦЕССОР
На материнских платах также встречаются интегриро-
Что же такое процессор? Процессор — эго «мозг» ком-
ванные устройства, т. е. встроенные. Материнские платы по-
пьютера. Процессором называется устройство, способное об-
добного типа уже продолжительное время фигурируют на
рабатывать программный код и определяющее основные функ-
компьютерном рынке. Примером могут служить материнские
ции компьютера по обработке информации.
платы со встроенной звуковой и видеокартами.
Конструктивно процессоры могут выполниться как в виде
Устройства интегрируются на материнскую плату с це-
одной большой монокристальной интегральной микросхемы —
лью удешевления общей стоимости компьютера. Действи-
чипа, так и в виде нескольких'микросхем, блоков электрон-
тельно, стоимость чипа плюс затраты на инженерные разра-
ных плат и устройств.
ботки по интеграции значительно меньше, чем стоимость
разработки и изготовления отдельной полноценной платы Чаще всего процессор представлен в виде чипа, распо-
расширения. Однако интегрированные решения имеют свои ложенного на материнской плате. На самом чипе написана
недостатки. Это, во-первых, невозможность модернизации его марка, его тактовая частота (число возможных операций,
D будущем. А во-вторых, такие решения имеют среднюю которые он может выполнить в единицу времени) и изгото-
производительность. витель.
Из чего состоит персональный компьютер 265

В настоящее время микропроцессоры и процессоры вме- переименованный в SC242. В этот же слот устанавливались и
щают в себе миллионы транзисторов и других элементов элек- некоторые процессоры Celeron и Pentium !!!. Для слота 1
тронной логики и представляют сложнейшие высокотехноло- (SC242) предназначены процессоры с разными названиями
гичные электронные устройства. Персональный компьютер «упаковки»:
содержит в своем составе довольно много различных про- — SECC — картридж процессоров Pentium II и Pentium Ш.
цессоров. Они входят в состав систем ввода/вывода контрол- Представляет собой печатную плату с установленными ком-
леров устройств. Каждое устройство, будь то видеокарта, си- понентами. К микросхемам прилегает термопластина, распре-
стемная шина или еще что-либо, обслужизается своим соб- деляющая тепло, к которой снаружи крепится вентилятор (или
ственным процессором или процессорами. Однако архитекту- иное охлаждающее устройство). Спереди картридж закрыт
ру и конструктивное исполнение персонального компьютера крышкой;
определяет процессор или процессоры, контролирующие и — SECC 2 — картридж для тех же процессоров. От пре-
обслуживающие системную шину и оперативную память, а так- дыдущего отличается тем, что не имеет термопластины — вне-
же, что более важно, выполняющие объектный код программ. шние «холодильники» прижимаются прямо к корпусам мик-
Такие процессоры принято называть центральными или глав- росхем, что снижает тепловое сопротивление и повышает эф-
ными процессорами (Central Point Unit — CPU). На основе фективность охлаждения;
архитектуры центральных процессоров строится архитектура — SEPP (Single Edge Processor Package) - картридж
материнских плат и проектируется архитектура и конструк- процессоров Celeron, не имеющий ни термопластины, ни
ция компьютера. крышки. Внешний радиатор прижимается прямо к корпусу
процессора.
Тактовая частота процессора определяет минимальный
квант времени, за который процессор выполняет некоторую
3. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
условную элементарную операцию. Тактовые частоты изме-
ЦЕНТРАЛЬНОГО ПРОЦЕССОРА
ряются в мегагерцах и определяют количественные характе-
ристики производительности компьютерных систем в целом.
Основными считаются следующие характреистики:
Чем больше (выше) тактовая частота, тем быстрее работает
— тип архитектуры или серия (CISC, Intel х86, RISC);
центральный процессор.
— система поддерживаемых команд (х86, IA-32, IA 64);
В настоящее время технология производства центральных
— расширения системы команд (ММХ, SSE, SSE2,
процессоров с высокой производительностью предусматривает
3Dnow!);
их работу на очень высоких тактовых частотах (до 3 ГГц), вслед-
— конструктивное исполне?ше (Slot I, Slot 2, Socket 340,
ствие чего устройства необходимо принудительно охлаждать.
Socket 478, Slot A, Socket A);
Для принудительного охлаждения процессоров используют-
— тактовая частота (МГц, ГГц);
ся пассивные системы — в виде радиаторов и активные систе-
— частота системной шины.
мы — в виде радиаторов с вентиляторами. Процессоры осна-
Компьютеры, содержащие процессоры, поддерживающие
щаются внутренними схемами умножения базовой тактовой
систему команд Intel x86 (фирм Intel, AMD, Cyrix, Transmeta),
частоты материнской платы и умножают исходную тактовую
на которых может исполняться операционная система Microsoft
частоту в несколько раз.
Windows, называются Wmtel-компыотерами (от Windows и
Однако все остальные устройства работают на базовой
Intel).
тактовой частоте. Тактирующий генератор расположен на ма-
Тип архитектуры, как правило, определяется фирмой-
теринской плате, а тактовая частота центрального процессора
производителем оборудования. Все крупнейшие фирмы, про-
определяет его максимальные возможности работать на соот-
изводящие электронное оборудование для Wintel-совмести-
ветствующей частоте.
мых компьютеров и выпускающие свои типы центральных
Таким образом, тактовая частота процессора — это еще
процессоров, вносят изменения в базовую архитектуру про-
не все. Существует тактовая частота системной шины, кото-
цессоров серии Intel x86 или разрабатывают свою. С типом
рая отвечает за передачу информации от одного устройства к
архитектуры тесно связан набор поддерживаемых команд или
другому. Естественно, что чем выше тактовая частота систем-
инструкций и их расширений. Эти два параметра, в основном,
ной шины, тем быстрее будет передаваться информация меж-
определяют качественный уровень возможностей персональ-
ду устройствами. К устройствам также относится и процес-
ного компьютера и в большой степени — уровень его произво-
сор. В настоящее время процессорами поддерживаются час-
дительное:™.
тоты внешней шины 66 МГц, 100 МГц и 133 МГц, а для про-
Все современные процессоры имеют специальные систе-
цессоров Pentium 4 — 400 и 533 МГц.
мы команд, ^дополняющие набор инструкций Intel x86. Они
Большое значение в общей технологии производства
рассчитаны на обработку графической и видеоинформации.
компьютерных систем имеет вопрос согласования возможно-
Набор ММХ (MultiMedia extension) поддерживается всеми
стей и внутренних интерфейсов центрального процессора и
х86-совместимь:ми процессорами. SSE появился в процессо-
набора интегральных микросхем — чипа, на базе которого по-
рах Pentium !!!, a SSE2 — в процессорах Pentium 4. 3Dnow! —
строена материнская плата. Правильное их сочетание может
фирменная технология фирмы AMD, используется в ее про-
резко повысить общую производительность, и наоборот. По-
цессорах.
этому рекомендуется устанавливать на материнские платы
В настоящем время процессоры конструктивно изготов-
процессоры, указанные в руководстве фирмы-производителя
ляют в виде квадратной микросхемы в корпусе PPGA (Plastic
платы.
Pin Grid Array), со множеством ножек в нижней части (кон-
Технологии производства центральных процессоров по-
структив Socket). Для процессоров Pentium II был разрабо-
стоянно совершенствуются.
тан Slot 1 — щелевой разъем с 242 контактами, впоследствии
266 Информатика

Сигналы данных могут дополнительно обеспечиваться
4. СИСТЕМНАЯ ШИНА
собственными сигнальными линиями заземлелчя — по одному
Системная шина — это «паутина», соединяющая между на каждый канал данных. В таком случае числе; сигналов возра-
собой все устройства и отвечающая за передачу информации стает до 25. Для соединения компьютера с устройством при
между ними. Расположена она на материнской плате и внешне помощи параллельного интерфейса используется 25-контакт-
не видна. Системная шина — это набор проводников (метал- ный разъем Centronics.
лизированных дорожек на материнской плате), по которым Параллельные интерфейсы имеют высокую скорость пе-
передается информация в виде электрических сигналов. редачи данных (до 150 К/с) и низкую помехэустойчивость,
что позволяет использовать кабель длиной но более 3 м.
Чем выше тактовая частота системной шины, тем быст-
рее будет осуществляться передача информации между уст-
ройствами и, как следствие, увеличится общая производитель- 5.2. Последовательные порты (СОМ)
ность компьютера, т. е. повысится скорость компьютера.
Последовательные порты передают данные последова-
В персональных компьютерах используются системные
тельно по одному биту. Для передачи и приема в них исполь-
шины стандартов ISA, EISA, VESA, VLB и PCI. ISA, EISA, VESA
зуются два канала (один — для передачи и одиь — для приема)
и VLB, которые в настоящее время являются устаревшими и
и несколько дополнительных сигнальных лиинй.
не выпускаются на современных материнских платах. Сегод-
Для соединения при помощи последовательных портов
ня самой распространенной является шина PCI.
используются 9- и 25-контактные соединительные разъемы. По-
Существуют и специализированные шины, например внут-
следовательные коммуникационные порты имеют достаточно
ренние шины процессоров или шина для подключения видео-
низкие скорости работы (50, 75, 100, 110, 200, 300, 600, 1200,
адаптеров — AGP.
2400, 4800, 9600, 19 200, 38 400, 57 000 и 115000 бит/с) и высо-
Все стандарты различаются как по числу и использова-
кую помехоустойчивость, что позволяет использовать соеди-
нию сигналов, так и по протоколам их обслуживания.
нительный кабель длиной до 75 м и более.
Шина входит в состав материнской платы, на которой
Последовательные порты применяются как для соедине-
располагаются ее проводники и разъемы (слоты) для подклю-
ния компьютера с принтерами, модемами, мышами, ручными
чения плат адаптеров устройств (видеокарты, звуковые кар-
сканерами и т. п., так и для соединения двух компьютеров.
ты, внутренние модемы, накопители информации, устройства
ввода/вывода и т. д.) и расширений базовой конфигурации
(дополнительные пустующие разъемы). 5.3. Порт PS/2
Существуют 16- и 32-разрядные, высокопроизводитель-
Во второй половине 1980-х годов компания IBM выпу-
ные (VESA, VLB, AGP и PCI с тактовой частотой более 16 МГц)
стила серию ПК под названием PS/2, у которые был специаль-
и низкопроизводительные (ISA и EISA с тактовой частотой 8 и -
ный маленький круглый разъем для мыши, к</ орый впослед-
16 МГц) системные шины. Также шины, разработанные по
ствии и стали называть PS/2. В современные компьютерах
современным стандартам (VESA, VLB и PCI), допускают под-
обычно имеется два разъема PS/2 для подключения мыши и
ключение нескольких одинаковых устройств, например не-
клавиатуры.
скольких жестких дисков, а шина PCI обеспечивает самокон-
фигурируемость периферийного (дополнительного) оборудо-
вания — поддержку стандарта Plug and Play, исключающего 5.4. Порт USB
ручную конфигурацию аппаратных параметров периферийно-
USB (Universal Serial Bus — универсалолая последова-
го оборудования при его изменении или наращивании. Опера-
тельная магистраль) — интерфейс для подключения различ-
ционная система, поддерживающая этот стандарт, сама настра-
ных внешних устройств. Спецификация периферийной шины
ивает оборудование, подключенное по шине PCI, без вмеша-
USB разработана лидерами компьютерной и телекоммуника-
тельства пользователя.
ционной промышленности — Compaq, DEC, IBM, Intel,
Имеются как 64-разрядные расширения шины PCI, так и
Microsoft, NEC и Northern Telecom — для под слючения ком-
32-разрядные, работающие на частоте 66 МГц.
пьютерной периферии вне корпуса машины по стандарту
plug'n'play, в результате чего отпадает необходимость в уста-
новке дополнительных плат в слоты расширения и перекон-
5. ПОРТЫ фигурировании системы. Персональные компьютеры,, чмею-
щие шину USB, позволяют подключать периферийные уст-
Думается, не стоит объяснять, что такое порт.
ройства и осуществляют их автоматическое конфигурирова-
Порты предназначены для соединения периферийных
ние, как только устройство физически будет пр-исоединено к
устройств с материнской платой. Существует несколько ви-
машине, и при этом нет необходимости пере загружать или
дов портов.
выключать компьютер, а также запускать прог эаммы установ-
ки и конфигурирования. Шина USB позволяет одновременно
5.1. Параллельные порты (LPT) подключать последовательно до 127 устром:тв, таких, как
мониторы или клавиатуры, выполняющих р.оль дополнитель-
Чаще всего параллельные порты LPT используются для
но подключенных компонентов, или хабоы [т. е. устройств,
подключения к компьютеру печатающих устройств (прин-
через которые подключается еще несколько;,
теров).
USB определяет, добавлено устройство или отключено,
Параллельные порты получили свое название благодаря
благодаря своей продвинутой логике, обеспечиваемой основ-
методу передачи данных, т. к. они имеют восемь разрядов шины
ной системой. Шина автоматически определяет, какой сис-
данных и способны передавать информацию байтами синхронно
темный ресурс, включая программный драйвер и пропускную
по восьми проводникам.
Из чего состоит персональный компьютер 267

способность, нужен каждому периферийному устройству, и (4 бита на пиксел), 256 (8 бит на пиксел), 32 000 (12 бит на
делает этот ресурс доступным без вмешательства пользовате- пиксел), 64 000 (16 бит на пиксел), 16 млн (32 бита на пиксел) —
ля. Владельцы компьютеров, оснащенных шиной USB, имеют режим True color. В зависимости от используемого графичес-
возможность переключать совместимые периферийные уст- кого режима и типа адаптера дисплея, цвета пикселов могут
ройства так же просто, как они вкручивают новую лампочку в кодироваться разным количеством бит, что в конечном итоге
лампу, определяет число одновременно отображаемых на экране цве-
тов — цветовую палитру — и объем видеопамяти, необходи-
мый для хранения картинки изображения.
5.5. Порт FireWire
Современные видеокарты могут иметь до 64 МБ видео-
IEEE 1394, или FireWire, — это последовательная высо- памяти и более, что дает им возможность использовать графи-
коскоростная шина, предназначенная для обмена цифровой ческие видеорежимы с 16 млн цветов (True color) и разреше-
информацией между компьютером и другими электронными нием экрана до 1024x768 пикселов и выше.
устройствами. Благодаря невысокой цене и большой скоро- Скорость работы видеоадаптера — скорость отрисовки
сти передачи данных эта шина становится новым стандартом пикселов на экране — весьма разнообразна и зависит от его
шины ввода/вывода для персонального компьютера. Ее из- типа, видеорежима, используемой в адаптере видеопамяти и
меняемая архитектура и одноранговая топология делают скорости работы и типа всей системы в целом.
FireWire идеальным вариантом для подключения жестких Современные видеоадаптеры в своем составе имеют, как
дисков и устройств обработки аудио- и видеоинформации. правило, контроллер и процессор — графический сопроцессор
Эта шина также идеально подходит для работы мультимедий- системы. Разрядность контроллера и шипы данных между
ных приложений в реальном времени. контроллером и видеопамятью может составлять 32 и 64 бита,
что в первую очередь влияет на производительность устрой-
ства. Однако разрядность — признак, характеризующий четы-
ре компонента видеосистемы — процессор, контроллер, мик-
6. ВИДЕОКАРТА
росхему памяти и соединяющую их шину данных. Теорети-
чески, наивысшая производительность достигается при 64-раз-
Видеокарта, видеоадаптер, видеоконтроллер, или адап-
рядности всех четырех компонент. Однако использование та-
тер дисплея, является устройством, непосредственно форми-
ких видеорежимов сказывается на производительности всей
рующим изображение на мониторе. Как и любой другой кон-
системы и, следовательно, они забирают часть ресурсов ком-
троллер устройства, видеокарта может быть выполнена как
пьютера, если у него не хватает видеопамяти. Для того чтобы
внешнее или внутреннее (интегрированное, встроенное) на
видеокарта не забирала под свою работу системные ресурсы,
материнскую плату оборудование. Тип видеоконтроллера и
нужно, чтобы у видеокарты имелось в наличии не менее 8 МБ
его возможности определяют в конечном виде аппаратно дос-
видеопамяти.
тижимые и поддерживаемые режимы работы всей графичес-
кой системы, скорость и качество формируемого на экране К важнейшим характеристикам видеокарты относят тип,
мониторов изображения. вид; поддерживаемые видеорежимы (допустимые разрешения
экрана, максимально возможное количество цветов), поддер-
Видеокарта, выполненная как внешнее устройство, тре-
живаемые режимы энергетического сохранения и управления
бует подключения к материнской плате в определенный слот.
монитором, поддержку аппаратных систем ускорения и аксе-
Интегрированная на материнскую плату видеокарта не
лерации вывода в текстовых и графических режимах, акселе-
требует подключения вообще, но может быть отключена в
рации отрисовки двухмерных 2D и трехмерных 3D изображе-
случае необходимости подключения внешней.
ний, заполнения фоном (текстурой) графических примитивов,
Все видеокарты содержат видеобуфер, физические адре-
буферизации вывода растровых и других шрифтов, разряд-
са которого находятся на плате адаптера, но входят в общее
ность контроллера и шины данных между контроллером и
адресное пространство оперативной памяти компьютера. В нем
видеопамятью и др. Большинство указанных параметров за-
хранится текстовая или графическая информация, выводимая
висят от типа и вида устройства.
на экран. Тип микросхем видеопамяти значительно влияет на
производительность всей видеосистемы в целом. Так, обыч-
ные чипы динамической памяти DRAM не позволяют делать
одновременно операции чтения и записи в область видеопамя- 7. ЗВУКОВАЯ КАРТА
ти, а микросхемы VRAM (Video Random Access Memory) поз-
воляют, что значительно ускоряет работу устройства. Основ- Звуковые адаптеры, или карты, — это устройства, позво-
ная функция видеокарты заключается в преобразовании циф- ляющие воспроизводить и записывать звук. Стандартные зву-
ровых данных видеобуфера в те сигналы, которые управляют ковые карты обычно бывают внутренние, вставляемые в разъем
монитором и формируют видимое пользователем изображе- системной шины на материнской плате. К звуковым картам
ние на экране. обычно можно подключить колонки, микрофон и игровой
джойстик. Основные характеристики звуковых адаптеров —
Графические режимы допускают отрисовку на экране мо-
это качество звука (частотный диапазон воспроизведения и
нитора объектов произвольной формы и сложности. Общим
записи, стерео- или моноззучанис, наличие систем цифровой
принципом графических режимов является кодирование изо-
фильтрации), количество каналов воспроизведения и записи,
бражения как набора элементарных точек — пикселов, опре-
разрядность шины данных, наличие синтезатора и число его
деляющих максимальное разрешение экрана. Выпускаются ви-
голосов и др. Чем шире частотный диапазон звукового сигна-
деокарты с самыми различными графическими режимами
ла, тем чище и качественнее воспроизводимый и записывае-
(320x200,640x480, 800x600, 1024x768, 1280x1024, 1600x1200).
мый звук устройства. Наиболее распространены карты с диа-
В зависимости от числа бит на пиксел различают моно-
пазоном от 20 Гц до 25 КГц. Системы цифровой фильтрации
хромные и цветные графические режимы с числом цветов 10
268 Информатика

печивающие возможности от примитивного монофоническо-
позволяют достаточно существенно улучшить качество зву-
го до многоканального стереозвука и записи.
чания и записи. Они могут быть одно- и многоканальными и
иметь или не иметь программный интерфейс управления. Синтезатор представляет собой дополнительную систе-
Обычные звуковые карты, применяемые в домашних и му создания звуковых эффектов. При помощи программиру-
офисных компьютерах, имеют один канал воспроизведения и емых голосов синтезатора можно синтезировать звук благо-
один канал записи звука. Более мощные и дорогие устройства даря специальным цифровым командам, чта значительно
имеют несколько (2, 4, 6, 10 и более) каналов и позволяют уменьшает объем информации, необходимый для воспроизве-
осуществлять независимое воспроизведение, запись и нало- дения звука. Многие звуковые карты содержат :вуковой вход
жение нескольких звуковых источников, а также полное раз- аналогового сигнала для подключения выходного звукового
дельное управление каналами. CD-ROM, для обеспечения возможности проигрывания му-
зыкальных компакт-дисков. Также они могут им ;ть слоты для
Разрядность внутренней и внешней шин данных имеет
подключения игровых адаптеров, позволяющей: подключать
прямое отношение к производительности и возможностям
джойстики и другие игровые манипуляторы.
устройства. Выпускаются 8-, 16- и 32-разрядные карты, обес-




ПРОЦЕССОР
План
1. Архитектуры процессоров.
1.1. RISC.
1.2. CISC.
1.3. Параметры процессоров.
1.4. Процесс производства.
2. Процессоры Intel Architecture.
2.1. История процессоров IA.
2.2. Как работают процессоры IA-32.
2.3. Современные процессоры IA-32.
2.4. Процессоры IA-64.



В АЛУ производится арифметическая и логическая, об-
1. АРХИТЕКТУРЫ ПРОЦЕССОРОВ
работка данных.
Устройство управления реализует временную диаграм-
Процессор, или более полно — микропроцессор, часто
му и вырабатывает необходимые управляющие сигналы для
называемый ЦПУ (CPU — central processing unit), является
центральным компонентом компьютера. Это разум, который внутренней работы микропроцессора и связи его с другой ап-
прямо или косвенно управляет всем происходящим внутри паратурой через внешние шины микропроцесс ера.
компьютера. На данный момент существует несколько направлений в
производстве микропроцессоров. Они различается принци-
Когда фон Нейман впервые предложил хранить после-
пами построения архитектуры процессора. Накоолее распрос-
довательность инструкций, так называемые программы, в той
же памяти, что и данные, это была поистине новаторская идея. траненными являются архитектуры RISC и CISC.
Опубликована она в «First Draft of a Report on the EDVAC» в
1945 г. Этот отчет описывал компьютер состоящим из четы-
1.1. RISC
рех основных частей: центрального арифметического устрой-
ства, центрального управляющего устройства, памяти и средств Микропроцессоры с архитектурой RISC (Reduced Instruc-
ввода/вывода. tion Set Computers) используют сравнительно ызболылой (со-
кращенный) набор наиболее употребимых ком ад, определен-
Сегодня почти все процессоры имеют фон-неймановскую
ный в результате статистического анализа большого числа про-
архитектуру.
грамм для основных областей применения CISC-процессоров
Каждый микропроцессор имеет определенное число эле-
исходной архитектуры. Все команды работают с операндами и
ментов памяти, называемых регистрами, арифметико-логичес-
имеют одинаковый формат. Обращение к памяти выполняет-
кое устройство (АЛУ) и устройство управления.
ся с помощью специальных команд загрузки регистра и запи-
Регистры используются для временного хранения вы-
си. Простота структуры и небольшой набор к J панд позволя-
полняемой команды, адресов памяти, обрабатываемых дан-
ют реализовать полностью их аппаратное выполнение и эф-
ных и другой внутренней информации микропроцессора.
Процессор 269

фективный конвейер при небольшом объеме оборудования. 1.3. Параметры процессоров
Арифметику RISC-процессоров отличает высокая степень
Структуры различных типов процессоров могут существен-
дробления конвейера. Этот прием позволяет увеличить так-
но различаться, однако с точки зрения пользователя наиболее
товую частоту (а значит, и производительность) компьютера;
важными параметрами являются архитектура, адресное простран-

<<

стр. 17
(всего 40)

СОДЕРЖАНИЕ

>>