Цифровые устройства обработки информации. Почему цифровые устройства называются цифровыми? Цифровые устройства обработки информации цифровые устройства

В период развития цифровых технологий были разработаны компьютеры самых разных типов. Многие из них давно забыты, но некоторые оказали сильное влияние на развитие современных вычислительных систем. Здесь мы дадим краткий обзор некоторых этапов развития вычислительных машин, чтобы показать, как человеческая мысль пришла к современному пониманию компьютерных технологий.

Устройства, облегчающие счёт или запоминание его результатов известны давно, но нас будут интересовать только устройства для вычислений, которые автоматически выполняют заложенные в них программы, поэтому не рассматриваем такие устройства как счёты, механические арифмометры и электронные калькуляторы.

Первая счётная машина с хранимой программой была построена французским учёным Блезом Паскалем в 1642 году. Она была механической с ручным приводом и могла выполнять операции сложения и вычитания. Немецкий математикГотфрид Лейбниц в 1672 году построил механическую машину, которая могла делать так же операции умножения и деления. Впервые машину, работающую по программе, разработал в 1834 году английский учёныйЧарльз Бэббидж . Она содержала запоминающее устройство, вычислительное устройство, устройство ввода с перфокарт и печатающее устройство. Команды считывались с перфокарты и выполняли считывание данных из памяти в вычислительное устройство и запись в память результатов вычислений. Все устройства машины Бэббиджа, включая память, были механическими и содержали тысячи шестерёнок, при изготовлении которых требовалась точность недоступная в 19 веке. Машина реализовала любые программы, записанные на перфокарте, поэтому впервые для написания таких программ потребовался программист. Первым программистом была англичанкаАда Ловлейс , в честь которой уже в наше время был назван язык программированияAda.

В 20 веке начала развиваться электроника и её возможности немедленно взяли на вооружение разработчики вычислительных машин. С построения вычислительных машин, базовая система элементов которых была построена на электронных компонентах, начинается отсчёт поколений цифровых вычислительных машин. Отметим, что деление периода развития цифровой техники на этапы связано, в основном, с переводом базовой системы элементов на новые технологии производства электронных компонентов.

Первое поколение – электронные лампы (1945-1955 г.Г.)

В основе базовой системы элементов этого поколение компьютеров лежали электронные лампы. Их использование определяло и достоинства и недостатки цифровых устройств. Электронные лампы обеспечивали высокую скорость переключения логических элементов, что увеличивало скорость вычисления по сравнению с попытками создать вычислительную машину, базовый элемент которой был построен на основе электромеханического реле. Электронные лампы были достаточно долговечны и обеспечивали надёжную работу компьютера. К сожалению недостатков у ламповых компьютеров тоже было достаточно. Во-первых электронные лампы работали с напряжениями в десятки вольт и расходовали много энергии, кроме того размер электронных ламп, по совремённым понятиям микроэлектроники, был огромным – несколько десятков кубических сантиметров. Для построения вычислительной машины нужны были тысячи логических элементов, поэтому размер ламповых вычислительных машин по занимаемой площади составлял десятки квадратных метров, а потребляемая мощность колебалась в пределах от единиц до десятков и даже сотен киловатт. Такая мощность приводила к перегреванию ламп, которые были размешены довольно компактно, и ставила задачу эффективного охлаждения электронных компонентов машины. Скорость обработки информации в ламповых машинах колебалась от нескольких сотен до нескольких тысяч операций в секунду.

Цифровые устройства

Аналоговые устройства

К аналоговым устройствам относятся функциональные электронные узлы, предназначенные для выполнения различных операций и преобразований над аналоговыми сигналами. В структурном отношении, аналоговые устройства можно представить в виде:

1. Двухполюсника

Имеет 2 пары входных зажимов, к которым подключаются источники сигналов, а к выходным зажимам подключают нагрузку. Представляет собой передаточное звено с управляющими параметрами.

К цифровым устройствам относятся функциональные узлы, предназначенные для выполнения операций над объектами информации в виде цифровых сигналов. Для представления цифровых сигналов служат кодовые слова. Особенности: для построения используется простейший алфавит – две буквы, обозначаемые символами 0 и 1. Кодовое слово – число в 2 СС. Число букв в кодовом слове фиксировано.

Слово содержит n букв или разрядов. В цифровых устройствах объектом информации являются двоичные числа, а не функции времени.

Принципы функционирования цифровых устройств:

1) Для выполнения команды отводится определœенное время, для этого используется генератор тактовых импульсов, он формулирует управляющий сигнал

2) После начала операции происходит преобразование всœех входных кодовых слов в требуемые выходные

3) Выходные кодовые слова отправляются на хранение в память цифровой системы или во внешние устройства для выполнения действий

Способы обработки кодовых слов:

Для реализации операций над кодовыми словами, крайне важно их в виде электрических сигналов. Распространение получил потенциальный способ представления. Логический ноль соответствует низкому уровню сигнала(напряжение), логическая единица- высокому. Операции над кодовыми словами могут выполняться двумя способами: последовательно(по разрядно) и параллельно.

Простейшие преобразователи информации:

Компьютер состоит из миллионов элементов: транзисторов, диодов, регистров, входящих в состав интегральных схем. Но изучение работы ПК облегчается регулярностью его структуры, что означает: компьютер состоит из большого количества простейших элементов, всœего несколько типов. Элементы образуют небольшое количество типовых схем.

По степени сложности выполненных функций различают:

1) Элементы – простейшая часть, выполняющая операции над отдельными битами. Различают логически(и, или, не, и-не, или-не), запоминающие(триггеры различных типов) и вспомогательные, служащие для усиления и формирования сигналов.

2) Узлы – состоят из элементов и выполняют операции над словами. Различают комбинационные и накапливающие(последовательностные)

Комбинационные построены исключительно на логических элементах;

Накапливающие включают логические элементы и элементы памяти;

К узлам ПК относят: регистры, счетчики, сумматоры, мультиплексоры и т.д.

3) Устройства – состоят из нескольких узлов, выполняют одну или ряд однотипных операций над машинными словами К устройствам относят АЛУ, устройство памяти, устройство управления, ЗУ, устройство ввода/вывода.

Цифровые устройства - понятие и виды. Классификация и особенности категории "Цифровые устройства" 2017, 2018.

Что это за цифровые устройства обработки информации? Цифровые устройства – это устройства для обработки информации, представленной в доступной для компьютера форме. Это: сенсорные экраны сканеры фотоаппараты видеокамеры мобильные телефоны веб - камеры документ - камеры проекторы устройства беспроводной передачи данных системы видеонаблюдения

Видеокамеры Видеокамера электронный киносъёмочный аппарат, устройство для получения оптических образов снимаемых объектов на светочувствительном элементе, приспособленное для записи или передачи в телевизионный эфир движущихся изображений. Обычно оснащается микрофоном для параллельной записи звука.

Веб - камеры Веб-камера (также вебкамера) цифровая видео или фотокамера, способная в реальном времени фиксировать изображения, предназначенные для дальнейшей передачи по сети интернет (в программах типа Instant Messenger или в любом другом видеоприложении).

Проекторы Проектор световой прибор, перераспределяющий свет лампы с концентрацией светового потока на поверхности малого размера или в малом объёме. Проекторы являются в основном оптико- механическими или оптическо-цифровыми приборами, позволяющими при помощи источника света проецировать изображения объектов на поверхность, расположенную вне прибора экран.

Устройства беспроводной передачи данных Bluetooth обеспечивает обмен информацией между такими устройствами как карманные и обычные персональные компьютеры, мобильные телефоны, ноутбуки, принтеры, цифровые фотоаппараты, мышки, клавиатуры, джойстики, наушники, гарнитуры на надёжной, недорогой, повсеместно доступной радиочастоте для ближней связи.

Устройства беспроводной передачи данных GPRS (англ. General Packet Radio Service пакетная радиосвязь общего пользования) надстройка над технологией мобильной связи GSM, осуществляющая пакетную передачу данных. GPRS позволяет пользователю сети сотовой связи производить обмен данными с другими устройствами в сети GSM и с внешними сетями, в том числе Интернет. GPRS предполагает тарификацию по объёму переданной/полученной информации, а не времени, проведённому онлайн.

Устройства беспроводной передачи данных Позволяет развернуть сеть без прокладки кабеля, может уменьшить стоимость развёртывания и расширения сети. Места, где нельзя проложить кабель, например, вне помещений и в зданиях, имеющих историческую ценность, могут обслуживаться беспроводными сетями. В отличие от сотовых телефонов, Wi-Fi оборудование может работать в разных странах по всему миру. Wi-Fi (англ. Wireless Fidelity «беспроводная точность») стандарт на оборудование Wireless LAN.

Видеонаблюдение Видеонаблюдение (англ. Сlosed Circuit Television, CCTV система замкнутого телевидения) процесс, осуществляемый с применением оптико-электронных устройств, предназначенных для визуального контроля или автоматического анализа изображений (автоматическое распознование лиц, государственных номеров).

Цифровые устройства обработки информации Автор: Дмитрий Тарасов, 2009

В период развития цифровых технологий были разработаны ком­пьютеры самых разных типов. Многие из них давно забыты, но дру­гие оказали сильное влияние на развитие современных вычислительных систем. Здесь мы дадим краткий обзор некоторых этапов развития вычислительных машин, чтобы показать, как человеческая мысль пришла к современному пониманию компьютерных техно­логий.

Устройства, облегчающие счет или запоминание его результатов, известны давно, но нас будут интересовать только устройства для вы­числений, которые автоматически выполняют заложенные в них про­граммы. Поэтому мы не рассматриваем здесь такие устройства, как счеты, механические арифмометры и электронные калькуляторы.

Первая счетная машина с хранимой программой была построена французским ученым Блезом Паскалем в 1642 г. Она была механичес­кой с ручным приводом.и могла выполнять операции сложения и вычитания. Немецкий математик Готфрид Лейбниц в 1672 г. построил механическую машину, которая могла делать также операции умноже­ния и деления. Впервые машину, работающую по программе, разра­ботал в 1834 г. английский ученый Чарльз Бэббидж. Она содержала запоминающее устройство, вычислительное устройство, устройство ввода с перфокарт и печатающее устройство. Команды считывались с перфокарты и выполняли считывание данных из памяти в вычисли­тельное устройство и запись в память результатов вычислений. Все устройства машины Бэббиджа, включая память, были механически­ми и содержали тысячи шестеренок, при изготовлении которых тре­бовалась точность, недоступная в XIX в. Машина реализовала любые программы, записанные на перфокарте, поэтому впервые для напи­сания таких программ потребовался программист. Первым програм­мистом была англичанка Ада Ловлейс, в честь которой уже в наше время был назван язык программирования Ада.

В XX в. начала развиваться электроника и ее возможности немедленно взяли на вооружение разработчики вычислительных ма­шин. С построения вычислительных машин, базовая система элемен­тов которых была построена на электронных компонентах, начина­ется отсчет поколений цифровых вычислительных машин. Отметим, что деление периода развития цифровой техники на этапы связано, в основном, с переводом базовой системы элементов на новые тех­нологии производства электронных компонентов.

Первое поколение -

электронные лампы (1945-1955 гг.)

В основе базовой системы элементов этого поколения компью­теров лежали электронные лампы. Их использование определяло и достоинства и недостатки цифровых устройств, Электронные лампы обеспечивали высокую скорость переключения логических элемен­тов, что увеличивало скорость вычисления по сравнению с попыт­ками создать вычислительную машину, базовый элемент которой был построен на основе электромеханического реле. Электронные лам­пы были достаточно долговечны и обеспечивали надежную работу компьютера. К сожалению, недостатков у ламповых компьютеров тоже было достаточно. Электронные лампы работали с напряжени­ями в десятки вольт и расходовали много энергии, кроме того, раз­мер электронных ламп, по современным понятиям микроэлектрони­ки, был огромным - несколько десятков кубических сантиметров. Для построения вычислительной машины нужны были тысячи ло­гических элементов, поэтому размер ламповых вычислительных ма­шин по занимаемой площади составлял десятки квадратных метров, а потребляемая мощность колебалась в пределах от единиц до десят­ков и даже сотен киловатт. Такая мощность приводила к перегрева­нию ламп, которые были размешены довольно компактно, и стави­ла задачу эффективного охлаждения электронных компонентов машины. Скорость обработки информации в ламповых машинах колебалась от нескольких сотен до нескольких тысяч операций в секунду.

Второе поколение -транзисторы (1955-1965 гг.)

Полупроводниковые приборы - транзисторы были изобретены в 1948 г. Они отличались от электронных ламп малыми размерами, низким напряжением питания и малой потребляемой мощностью. Все эти достоинства полупроводниковых приборов произвели рево­люцию в радиоэлектронной промышленности. Стали появляться ми­ниатюрные приемо-передающие радио- и телеустройства, появилась возможность встраивать управляющие устройства непосредственно в объекты управления и т.д. Новая элементная база для компьютеров на основе транзисторов произвела революцию и в производстве ком­пьютеров. Значительное уменьшение габаритов, снижение потребля­емой мощности и стоимости позволило создавать архитектуры ком­пьютера с большими функциональными возможностями, резко повысить быстродействие компьютеров до сотен тысяч и даже мил­лионов операций в секунду. Увеличение производительности обеспе­чивалось как за счет более высокой скорости работы транзисторов по сравнению с электронными лампами, так и путем введения в со­став вычислительной машины нескольких обрабатывающих уст­ройств, работающих параллельно. Площадь, требуемая для размеще­ния компьютера, снизилась до_ нескольких квадратных метров, предпринимались попытки изготавливать и настольные варианты. Снижение стоимости увеличило число потенциальных пользователей компьютеров. Появились крупные фирмы по производству компью­теров широкого назначения: International Business Machines(IBM), Control Data Corporation (CDC) Digital Equipment Corporation (DEC) и др. Следует отметить компьютер РDР-8 фирмы DЕС - первого мини-компьютера с общей шиной, оказавшего большое влияние на раз­витие архитектур персональных компьютеров.

Третье поколение -интегральные схемы (1965-1980 гг.)

Полупроводниковые элементы и другие электронные компоненты выпускались электронной промышленностью в виде отдельных элементов. Так, полупроводниковый кристалл, на котором размещал­ся транзистор, заключался в специальный металлический или плас­тмассовый корпус. Требование уменьшения габаритов электронных

устройств привело к тому, что сначала полупроводниковые приборы стали производиться в бескорпусном исполнении, а затем в 1958 г. была предпринята попытка разместить в одном полупроводниковом кристалле все компоненты одного функционального узла. Так появи­лись интегральные схемы (ИС), которые позволили резко уменьшить размеры полупроводниковых схем и снизить потребляемую мощ­ность. На основе ИС строились мини-ЭВМ, которые выполнялись в виде одной стойки и периферийных устройств. Мощность, потреб­ляемая компьютером на ИС, уменьшилась до сотен ватт. Увеличение быстродействия узлов, построенных на ИС, позволило довести быс­тродействие компьютеров до десятков миллионов операций в секун­ду. Электронная промышленность приступила к массовому производ­ству электронных компонентов на ИС, что позволило снизить их стоимость и резко уменьшить стоимость аппаратной составляющей компьютеров. Уменьшение стоимости привело к разработке и прак­тической реализации мощных вычислительных систем, использую­щих параллельную обработку: многопроцессорные и конвейерные вычислители.

Четвертое поколение –сверхбольшие интегральные схемы (с 1980 гг.)

Микроминиатюризация электронных устройств привела к по­явлению новой отрасли промышленности - микроэлектроники, ко­торая относится к области высоких технологий. Используя последние научно-технические достижения физики, химии, кристаллографии, материаловедения и даже космонавтики (в невесомости можно по­лучить полупроводниковые кристаллы очень высокой чистоты), до­бились размещения на одном кристалле размером несколько квад­ратных миллиметров сначала сотен, затем тысяч и, наконец, миллионов транзисторов и других электронных компонентов. Теперь полупроводниковая схема содержала уже не набор нескольких логи­ческих элементов, из которых строились затем функциональные узлы компьютера, а целиком функциональные узлы и, в первую очередь процессор, который, учитывая его размеры, получил название микро­процессор, устройства управления внешними устройствами - контрол­леры внешних устройств. Такие интегральные схемы получили назва­ние сначала больших интегральных схем (БИС), а затем и сверхбольших интегральных схем (СБИС).

Итогом такого бурного развития микроэлектроники стало появ­ление одноплатных ЭВМ, где на одной плате, размером несколько десятков квадратных сантиметров, размещались несколько СБИС, содержащих все функциональные блоки компьютера. Одноплатные компьютеры встраивались в различные промышленные, медицинские и бытовые приборы для оперативной обработки информации и управ­ления. Стоимость одноплатных компьютеров так упала, что появилась возможность их приобретения отдельными людьми, Такой возможно­стью воспользовались английские инженеры Стив Джобе и Стив Возняк. Используя выпускаемые промышленностью функциональные узлы: плата микро-ЭВМ с процессором и памятью, клавиатура, дис­плей, они собрали дешевую настольную вычислительную машину -микрокомпьютер. Его привлекательность для непрофессиональных пользователей заключалась в том, что это было готовое к употребле­нию устройство, содержащее все необходимое оборудование и про­граммное обеспечение для работы. Этот микрокомпьютер получил на­звание Арр!е и стал первым в мире персональным компьютером.

Персональными компьютерами, которые получили большое рас­пространение на компьютерном рынке, заинтересовалась крупная компания, занимавшаяся выпуском мощных вычислительных систем - 1ВМ, и решила наладить выпуск своей модели персонального ком­пьютера. Совместно с фирмой Intel, разработавшей микропроцессор­ный комплект, и фирмой Microsoft, которая оснастила компьютер операционной системой MS DOS , IВМ создала персональный ком­пьютер IВМ РС. Значительный потенциал фирмы IВМ позволил в ко­роткие сроки произвести огромное количество таких компьютеров. Их привлекательная для покупателей цена и некоторые новшества, например, больший, по сравнению с выпускавшимися в то время персональными компьютерами других фирм, объем оперативной па­мяти, позволили компьютеру IВМ РС стать самой популярной «пер­соналкой» в мире.

2.6. Архитектуры вычислительных систем сосредоточенной обработки информации

Современный компьютер состоит из нескольких функциональ­ных узлов: процессор, память, контроллеры устройств и т.д. Каждый узел представляет собой сложное электронное устройство, в состав которого могут входить миллионы логических элементов. Для луч­шего понимания принципа работы каждого узла и компьютера в це­лом вводится понятие уровней представления компьютера.

Цифровой логический уровень - уровень логических схем базовой системы элементов.

Микроархитектурный уровень - уровень организации обработки информации внутри функционального узла. Сюда относятся регист­ры различного назначения, устройство обработки поступающих ко­манд, устройство преобразования данных, устройство управления.

Командный уровень - набор функциональных узлов и связи между ними, система команд и данных, передаваемых между устройствами.

Набор блоков, связей между ними, типов данных и операций каждого уровня называется архитектурой уровня.

Архитектура командного уровня называется обычно компьютер­ной архитектурой или компьютерной организацией. В этом разделе мы рассмотрим различные компьютерные архитектуры. Архитекту­ры других уровней будут рассмотрены в следующих разделах.

2.6.1. Архитектуры с фиксированным набором устройств

Компьютерами с сосредоточенной обработкой называются такие вычислительные системы, у которых одно или несколько обрабаты­вающих устройств (процессоров) расположены компактно и исполь­зуют для обмена информацией внутренние шины передачи данных. Компьютеры первого и второго поколения имели архитектуру зак­рытого типа с ограниченным набором внешнего оборудования. Та­кая архитектура характерна для компьютеров, базовая система логи­ческих элементов которых построена на дискретных электронных компонентах (электронных лампах, транзисторах). Введение любого дополнительного функционального блока в такие архитектуры был сопряжен с увеличением потребляемой мощности, занимаемой пло­щади и резко увеличивал стоимость всей системы. Поэтому компь­ютер, выполненный по этой архитектуре, не имел возможности под­ключения дополнительных устройств, не предусмотренных раз­работчиком.

Укрупненная схема такой компьютерной архитектуры приведен на рис. 2.9. Оперативная память хранит команды и данные испол­няемых программ, АЛУ обеспечивает не только числовую обработ­ку, но и участвует в процессе ввода-вывода информации, осуществ­ляя ее занесение в оперативную память. Канал ввода/вывода представляет собой специализированное устройство, работающее по командам, подаваемым устройством управления. Канал допускает подключение определенного числа внешних устройств. Устройство управления обеспечивает выполнение команд программы и управляет всеми узлами системы.

Рис. 2.9. Архитектура компьютера закрытого типа

Компьютеры такой архитектуры эффективны при решении чи­сто вычислительных задач. Они плохо приспособлены для реализа­ции компьютерных технологий, требующих подключения дополни­тельных внешних устройств и высокой скорости обмена с ними информацией.

6.2. Вычислительные системы с открытой архитектурой

В начале 70-х гг. фирмой DEC (Digital Equipment Corporation) был предложен компьютер совершенно иной архитектуры. Эта архитек­тура позволяла свободно подключать любые периферийные устрой­ства, что сразу же заинтересовало разработчиков систем управления различными техническими системами, так как обеспечивало свобод­ное подключение к компьютеру любого числа датчиков и исполни­тельных механизмов. Главным нововведением являлось подключение всех устройств, независимо от их назначения, к общей шине переда­чи информации. Подключение устройств к шине осуществлялось в соответствии со стандартом шины. Стандарт шины являлся свобод­но распространяемым документом, что позволяло фирмам- произ­водителям периферийного оборудования разрабатывать контроллеры для подключения своих устройств к шинам различных стандартов. Архитектура компьютера открытого типа, основанная на использо­вании общей шины, приведена на рис. 2.10. Общее управление всей