Digitale informasjonsbehandlingsenheter. Hvorfor kalles digitale enheter digitale? Digitale informasjonsbehandlingsenheter digitale enheter

Under utviklingen av digital teknologi har det blitt utviklet datamaskiner av en lang rekke typer. Mange av dem er for lengst glemt, men noen har hatt sterk innflytelse på utviklingen av moderne datasystemer. Her vil vi gi en kort oversikt over noen av stadiene i utviklingen av datamaskiner for å vise hvordan menneskelig tanke kom til den moderne forståelsen av datateknologi.

Enheter som gjør det lettere å telle eller huske resultatene har vært kjent i lang tid, men vi vil bare være interessert i dataenheter som automatisk kjører programmer innebygd i dem, derfor vurderer vi ikke slike enheter som telling, mekaniske tilleggsmaskiner og elektroniske kalkulatorer.

Den første regnemaskinen for lagret program ble bygget av en fransk vitenskapsmann Blaise Pascal i 1642. Den var mekanisk med hånddrev og kunne utføre addisjons- og subtraksjonsoperasjoner. tysk matematiker Gottfried Leibniz i 1672 bygde han en mekanisk maskin som kunne gjøre de samme operasjonene multiplikasjon og divisjon. For første gang ble en maskin som fungerer i henhold til programmet utviklet i 1834 av en engelsk vitenskapsmann Charles Babbage... Den inneholdt en minneenhet, en dataenhet, en inndataenhet for hullkort og en utskriftsenhet. Kommandoene ble lest fra et hullkort og utført datalesing fra minnet til en dataenhet og skriving av resultatene av beregningene inn i minnet. Alle enhetene til Babbages maskin, inkludert minne, var mekaniske og inneholdt tusenvis av gir, som krevde presisjon som ikke var tilgjengelig på 1800-tallet. Maskinen implementerte alle programmer skrevet på et hullkort, så for første gang ble det pålagt en programmerer å skrive slike programmer. Den første programmereren var en engelsk kvinne Ada Lovelace, som programmeringsspråket Ada ble oppkalt etter i vår tid.

På 1900-tallet begynte elektronikk å utvikle seg og dens evner ble umiddelbart tatt i bruk av utviklerne av datamaskiner. Nedtellingen av generasjoner av digitale datamaskiner begynner med konstruksjonen av datamaskiner, hvis grunnleggende system av elementer ble bygget på elektroniske komponenter. Merk at å dele utviklingsperioden for digital teknologi i stadier er hovedsakelig forbundet med overføringen av det grunnleggende systemet med elementer til nye teknologier for produksjon av elektroniske komponenter.

Den første generasjonen - vakuumrør (1945-1955)

Det grunnleggende systemet med elementer i denne generasjonen av datamaskiner var basert på vakuumrør. Bruken av dem bestemte både fordelene og ulempene ved digitale enheter. Elektroniske rør ga en høy svitsjhastighet for logiske elementer, noe som økte beregningshastigheten sammenlignet med forsøk på å lage en datamaskin, hvis grunnleggende element ble bygget på grunnlag av et elektromekanisk relé. Vakuumrør var holdbare nok til å gi pålitelig datamaskindrift. Dessverre hadde lampedatamaskiner også mange mangler. For det første opererte vakuumrør med spenninger på titalls volt og forbrukte mye energi; i tillegg var størrelsen på vakuumrør, ifølge moderne mikroelektroniske konsepter, enorm - flere titalls kubikkcentimeter. Tusenvis av logiske elementer var nødvendig for å bygge en datamaskin, så størrelsen på rørdatamaskiner i form av det okkuperte området var titalls kvadratmeter, og strømforbruket varierte fra enheter til titalls eller til og med hundrevis av kilowatt. Denne kraften førte til overoppheting av lampene, som var plassert ganske kompakt, og utgjorde oppgaven med å effektivt avkjøle de elektroniske komponentene i maskinen. Behandlingshastigheten til informasjon i rørmaskiner varierte fra flere hundre til flere tusen operasjoner per sekund.

Digitale enheter

Analoge enheter

Analoge enheter inkluderer funksjonelle elektroniske enheter designet for å utføre ulike operasjoner og konverteringer på analoge signaler. Strukturelt kan analoge enheter representeres som:

1. To-terminal

Den har 2 par inngangsterminaler, som signalkildene er koblet til, og lasten er koblet til utgangsterminalene. Det er en overføringsforbindelse med kontrollparametere.

Digitale enheter inkluderer funksjonelle enheter designet for å utføre operasjoner på informasjonsobjekter i form av digitale signaler. Kodeord brukes til å representere digitale signaler. Funksjoner: det enkleste alfabetet brukes til konstruksjon - to bokstaver, angitt med symbolene 0 og 1. Kodeordet er et tall i 2 SS. Antall bokstaver i kodeordet er fast.

Et ord inneholder n bokstaver eller siffer. I digitale enheter er informasjonsobjektet binære tall, ikke funksjoner av tid.

Prinsipper for funksjon av digitale enheter:

1) For å utføre kommandoen tildeles en viss tid, for dette brukes en klokkepulsgenerator, den formulerer styresignalet

2) Etter starten av operasjonen konverteres alle inngangskodeord til ønsket utgang

3) Utgangskodeord sendes til lagring i det digitale systemminnet eller til eksterne enheter for å utføre handlinger

Måter å håndtere kodeord på:

For implementering av operasjoner på kodeord er det ekstremt viktig for dem i form av elektriske signaler. En potensiell måte å presentere på har fått stor utbredelse. Logisk null tilsvarer lavt signalnivå (spenning), logisk en - høy. Operasjoner på kodeord kan utføres på to måter: sekvensielt (bit for bit) og parallelt.

De enkleste omformerne av informasjon:

En datamaskin består av millioner av elementer: transistorer, dioder, registre, som er en del av integrerte kretser. Men studiet av arbeidet til en PC er lettet av regelmessigheten til strukturen, noe som betyr: en datamaskin består av et stort antall av de enkleste elementene, alle av flere typer. Elementene danner et lite antall typiske kretsløp.

I henhold til graden av kompleksitet av funksjonene som utføres, skilles de ut:

1) Elementer - den enkleste delen som utfører operasjoner på individuelle biter. Skill logisk (og, eller, ikke, og-ikke, eller-ikke), lagring (triggere av forskjellige typer) og hjelpemidler, som tjener til å forsterke og generere signaler.

2) Noder - består av elementer og utfører operasjoner på ord. Skille mellom kombinasjon og kumulativ (sekvensiell)

Combinational bygges utelukkende på logiske elementer;

Akkumulatorer inkluderer logiske porter og minneporter;

PC-noder inkluderer: registre, tellere, addere, multipleksere, etc.

3) Enheter - består av flere noder, utfør en eller flere lignende operasjoner på maskinord Enheter inkluderer ALU, minneenhet, kontrollenhet, minneenhet, inn-/utdataenhet.

Digitale enheter - konsept og typer. Klassifisering og funksjoner i kategorien "Digitale enheter" 2017, 2018.

Hva er disse digitale informasjonsbehandlingsenhetene? Digitale enheter er enheter for å behandle informasjon presentert i en datamaskin-tilgjengelig form. Disse er: berøringsskjermer skannere kameraer videokameraer mobiltelefoner webkameraer dokumentkameraer projektorer trådløse dataoverføringsenheter videoovervåkingssystemer

Videokameraer Et videokamera er en elektronisk filminnretning, en enhet for å få optiske bilder av objekter som filmes på et fotosensitivt element, tilpasset for opptak eller overføring av levende bilder til fjernsyn. Vanligvis utstyrt med mikrofon for parallell lydopptak.

Webkameraer Et webkamera (også et webkamera) er et digitalt video- eller fotokamera som er i stand til å ta bilder i sanntid for videre overføring over Internett (i programmer som Instant Messenger eller i andre videoapplikasjoner).

Projektorer En projektor er en lysenhet som omfordeler lyset fra en lampe med en konsentrasjon av lysstrømmen på en liten overflate eller i et lite volum. Projektorer er hovedsakelig optisk-mekaniske eller optisk-digitale enheter som tillater, ved hjelp av en lyskilde, å projisere bilder av objekter på en overflate plassert utenfor enheten, en skjerm.

Bluetooth trådløse overføringsenheter gir informasjonsutveksling mellom enheter som lomme- og vanlige personlige datamaskiner, mobiltelefoner, bærbare datamaskiner, skrivere, digitale kameraer, mus, tastaturer, joysticks, hodetelefoner, hodesett på en pålitelig, rimelig, allestedsnærværende radiofrekvens for kommunikasjon over kort avstand .

GPRS (General Packet Radio Service) trådløse dataoverføringsenheter er et tillegg over GSM mobilkommunikasjonsteknologi, som utfører pakkedataoverføring. GPRS lar brukeren av et mobilnettverk utveksle data med andre enheter i GSM-nettverket og med eksterne nettverk, inkludert Internett. GPRS forutsetter fakturering basert på mengden informasjon som overføres/mottas, ikke tiden brukt på nettet.

Trådløse dataoverføringsenheter Lar deg distribuere et nettverk uten å legge en kabel, kan redusere kostnadene ved å distribuere og utvide nettverket. Steder hvor kabel ikke kan installeres, som utendørs og i bygninger av historisk verdi, kan betjenes av trådløse nettverk. I motsetning til mobiltelefoner, kan Wi-Fi-utstyr fungere i forskjellige land rundt om i verden. Wi-Fi (engelsk Wireless Fidelity "wireless fidelity") er en standard for trådløst LAN-utstyr.

Videoovervåking Videoovervåking (closed Circuit Television, CCTV closed-circuit TV system) er en prosess som utføres ved bruk av optoelektroniske enheter designet for visuell kontroll eller automatisk bildeanalyse (automatisk gjenkjenning av ansikter, tilstandsnummer).

Digitale informasjonsbehandlingsenheter Forfatter: Dmitry Tarasov, 2009

Under utviklingen av digital teknologi har det blitt utviklet datamaskiner av en lang rekke typer. Mange av dem er for lengst glemt, men andre har hatt sterk innflytelse på utviklingen av moderne datasystemer. Her vil vi gi en kort oversikt over noen av stadiene i utviklingen av datamaskiner for å vise hvordan menneskelig tanke kom til den moderne forståelsen av datateknologi.

Enheter som gjør det lettere å telle eller huske resultatene har vært kjent i lang tid, men vi vil bare være interessert i dataenheter som automatisk kjører programmer som er innebygd i dem. Derfor vurderer vi ikke her slike enheter som kuleramme, mekaniske tilleggsmaskiner og elektroniske kalkulatorer.

Den første lagrede programkalkulatoren ble bygget av en fransk vitenskapsmann Blaise Pascal i 1642 var den mekanisk med hånddrift og kunne utføre addisjons- og subtraksjonsoperasjoner. tysk matematiker Gottfried Leibniz i 1672 bygde han en mekanisk maskin som også kunne gjøre multiplikasjon og divisjon. For første gang ble en maskin som fungerer i henhold til programmet utviklet i 1834 av en engelsk vitenskapsmann Charles Babbage. Den inneholdt en minneenhet, en dataenhet, en inndataenhet for hullkort og en utskriftsenhet. Kommandoene ble lest fra et hullkort og utført datalesing fra minnet til en dataenhet og skriving av resultatene av beregningene inn i minnet. Alle enhetene til Babbages maskin, inkludert minne, var mekaniske og inneholdt tusenvis av gir, og produksjonen av disse krevde presisjon som ikke var tilgjengelig på 1800-tallet. Maskinen implementerte alle programmer skrevet på et hullkort, så for første gang ble det pålagt en programmerer å skrive slike programmer. Den første programmereren var en engelsk kvinne Ada Lovelace, til ære som programmeringsspråket Ada ble navngitt allerede i vår tid.

I det XX århundre. elektronikk begynte å utvikle seg og dens evner ble umiddelbart tatt i bruk av utviklerne av datamaskiner. Nedtellingen av generasjoner av digitale datamaskiner begynner med konstruksjonen av datamaskiner, hvis grunnleggende system av elementer ble bygget på elektroniske komponenter. Merk at å dele utviklingsperioden for digital teknologi i stadier er hovedsakelig forbundet med overføringen av det grunnleggende systemet med elementer til nye teknologier for produksjon av elektroniske komponenter.

Første generasjon -

vakuumrør (1945-1955)

Det grunnleggende systemet med elementer i denne generasjonen av datamaskiner var basert på vakuumrør. Bruken av dem bestemte både fordelene og ulempene med digitale enheter. Elektroniske rør ga en høy svitsjhastighet for logiske elementer, noe som økte beregningshastigheten sammenlignet med forsøk på å lage en datamaskin, hvis grunnleggende element ble bygget på grunnlag av en elektromekanisk relé. Vakuumrør var holdbare nok til å gi pålitelig datamaskindrift. Dessverre var det mange mangler i rørdatamaskiner også. Vakuumrør opererte med spenninger på titalls volt og forbrukte mye energi, i tillegg var størrelsen på vakuumrør, ifølge moderne mikroelektroniske konsepter, enorm - flere titalls kubikkcentimeter. Tusenvis av logiske elementer var nødvendig for å bygge en datamaskin, så størrelsen på rørdatamaskiner i form av det okkuperte området var titalls kvadratmeter, og strømforbruket varierte fra enheter til titalls eller til og med hundrevis av kilowatt. Denne kraften førte til overoppheting av lampene, som var plassert ganske kompakt, og utgjorde oppgaven med å effektivt avkjøle de elektroniske komponentene i maskinen. Behandlingshastigheten til informasjon i rørmaskiner varierte fra flere hundre til flere tusen operasjoner per sekund.

Andre generasjon - transistorer (1955-1965)

Halvlederenheter - transistorer ble oppfunnet i 1948. De skilte seg fra vakuumrør i liten størrelse, lav forsyningsspenning og lavt strømforbruk. Alle disse fordelene med halvlederenheter har revolusjonert elektronikkindustrien. Miniatyr sende- og mottaksradio- og TV-enheter begynte å dukke opp, det ble mulig å bygge inn kontrollenheter direkte i kontrollobjekter, etc. Den nye elementbasen for datamaskiner basert på transistorer har revolusjonert produksjonen av datamaskiner. En betydelig reduksjon i størrelse, strømforbruk og kostnadsreduksjon gjorde det mulig å lage datamaskinarkitekturer med stor funksjonalitet, for å dramatisk øke hastigheten på datamaskiner til hundretusener og til og med millioner av operasjoner per sekund. Økningen i produktivitet ble gitt både på grunn av den høyere driftshastigheten til transistorer sammenlignet med vakuumrør, og ved å introdusere flere prosesseringsenheter som opererer parallelt i datamaskinen. Arealet som kreves for å romme en datamaskin ble redusert til_ noen få kvadratmeter, det ble gjort forsøk på å lage skrivebordsversjoner. Nedgangen i kostnadene har økt antallet potensielle databrukere. Store firmaer for produksjon av generelle datamaskiner har dukket opp: International Business Machines (IBM), Control Data Corporation (CDC) Digital Equipment Corporation (DEC) Det bør bemerkes PDP-8-datamaskinen til DEC-selskapet - den første minidatamaskinen med en felles buss, som hadde stor innflytelse på utviklingen av personlige datamaskinarkitekturer.

Tredje generasjon - integrerte ordninger (1965-1980)

Halvlederelementer og andre elektroniske komponenter ble produsert av elektronikkindustrien som separate elementer. Så halvlederkrystallen som transistoren var plassert på var innelukket i et spesielt metall- eller plasthus. Kravet om å redusere størrelsen på elektronisk

enheter førte til at halvlederenheter først begynte å bli produsert i en åpen rammedesign, og deretter i 1958 ble det forsøkt å plassere alle komponentene til en funksjonell enhet i en halvlederkrystall. Slik dukket integrerte kretser (IC-er) opp, som gjorde det mulig å dramatisk redusere størrelsen på halvlederkretser og redusere strømforbruket. På grunnlag av IC-er ble det bygget minidatamaskiner, som ble laget i form av et enkelt stativ og perifere enheter. Strømmen som forbrukes av en IC-datamaskin er redusert til hundrevis av watt. Økningen i hastigheten til noder bygget på IC-er gjorde det mulig å øke hastigheten på datamaskiner til titalls millioner operasjoner per sekund. Elektronikkindustrien begynte masseproduksjon av elektroniske komponenter på IC, noe som gjorde det mulig å redusere kostnadene og dramatisk redusere kostnadene for maskinvarekomponenten til datamaskiner. Å redusere kostnadene har ført til utvikling og praktisk implementering av kraftige datasystemer som bruker parallell prosessering: multiprosessor og pipeline-datamaskiner.

Fjerde generasjon - integrerte kretser i veldig stor skala (siden 1980)

Mikrominiatyriseringen av elektroniske enheter har ført til fremveksten av en ny industri - mikroelektronikk, som tilhører feltet høyteknologi. Ved å bruke de siste vitenskapelige og tekniske prestasjonene innen fysikk, kjemi, krystallografi, materialvitenskap og til og med astronautikk (i null tyngdekraft kan halvlederkrystaller med svært høy renhet oppnås), har vi oppnådd plassering på én krystall flere kvadratmillimeter i størrelse, første hundrevis , deretter tusenvis og til slutt millioner av transistorer og andre elektroniske komponenter. Nå inneholdt ikke lenger halvlederkretsen et sett med flere logiske elementer, hvorfra de funksjonelle enhetene til datamaskinen ble bygget, men helt funksjonelle enheter og først og fremst PROSESSOR, som, gitt sin størrelse, ble navngitt mikroprosessor, eksterne enhetskontrollere - kontrollere eksterne enheter. Slike integrerte kretser ble først navngitt store integrerte kretser(BIS), og deretter meget storskala integrerte kretsløp(VLSI).

Resultatet av en så rask utvikling av mikroelektronikk var fremveksten av enkeltbretts datamaskiner, der på ett bord, flere titalls kvadratcentimeter i størrelse, ble det plassert flere VLSI, som inneholdt alle funksjonsblokkene til datamaskinen. Single-board datamaskiner ble bygget inn i ulike industrielle, medisinske og husholdningsapparater for operasjonell informasjonsbehandling og kontroll. Kostnadene for enkeltbordsdatamaskiner falt så mye at det ble mulig å anskaffe dem av enkeltpersoner, engelske ingeniører benyttet seg av denne muligheten Steve Jobe og Steve Wozniak. Ved å bruke de funksjonelle enhetene produsert av industrien: et mikrodatakort med prosessor og minne, et tastatur, en skjerm, satte de sammen en billig stasjonær datamaskin - mikrodatamaskin. Appellen til ikke-profesjonelle brukere var at det var en klar til bruk enhet som inneholdt all nødvendig maskinvare og programvare for å betjene. Denne mikrodatamaskinen fikk navnet App! E og ble den første i verden personlig datamaskin.

Et stort selskap engasjert i produksjon av kraftige datasystemer ble interessert i personlige datamaskiner, som ble utbredt i datamarkedet - 1VM, og bestemte seg for å starte produksjonen av sin egen modell av en personlig datamaskin. Sammen med selskapet Intel, som utviklet mikroprosessorsettet, og Microsoft, som utstyrte datamaskinen med et operativsystem MS DOS, IВМ opprettet en personlig datamaskin IBM RS. Det betydelige potensialet til IBM-selskapet gjorde det mulig å produsere et stort antall slike datamaskiner på kort tid. Deres attraktive pris for kjøpere og noen innovasjoner, for eksempel en større, sammenlignet med de personlige datamaskinene til andre selskaper produsert på den tiden, mengden RAM, gjorde at IBM PC-en ble den mest populære personlige datamaskinen i verden.

2.6. Dataarkitektur for konsentrert informasjonsbehandling

En moderne datamaskin består av flere funksjonelle enheter: prosessor, minne, enhetskontrollere, etc. Hver node er en kompleks elektronisk enhet som kan inkludere millioner av logiske porter. For en bedre forståelse av prinsippet for drift av hver node og datamaskinen som helhet, introduseres konseptet med nivåer av datamaskinrepresentasjon.

Digitalt logikknivå - nivået av logiske kretser til det grunnleggende systemet av elementer.

Mikroarkitektonisk nivå- nivået på organisering av informasjonsbehandling innenfor den funksjonelle enheten. Dette inkluderer registre for ulike formål, en enhet for behandling av innkommende kommandoer, en datakonverteringsenhet og en kontrollenhet.

Kommandonivå- et sett med funksjonelle enheter og forbindelser mellom dem, et system med kommandoer og data som overføres mellom enheter.

Settet med blokker, forbindelser mellom dem, datatyper og operasjoner for hvert nivå kalles nivå arkitektur.

Kommandonivåarkitektur blir ofte referert til som datamaskinarkitektur eller datamaskinorganisasjon. I denne delen skal vi se på ulike dataarkitekturer. Andre lagarkitekturer vil bli diskutert i de følgende avsnittene.

2.6.1. Faste enhetsarkitekturer

Datamaskiner med konsentrert prosessering Dette er datasystemer der en eller flere prosessorenheter (prosessorer) er kompakt plassert og bruker interne dataoverføringsbusser for informasjonsutveksling. Datamaskiner av første og andre generasjon hadde en lukket arkitektur med et begrenset sett med eksternt utstyr. Denne arkitekturen er typisk for datamaskiner, hvis grunnleggende system av logiske elementer er bygget på diskrete elektroniske komponenter (vakuumrør, transistorer). Innføringen av en ekstra funksjonell blokk i slike arkitekturer var assosiert med en økning i strømforbruk, okkupert plass og dramatisk økte kostnadene for hele systemet. Derfor hadde ikke en datamaskin laget i henhold til denne arkitekturen muligheten til å koble til flere enheter som ikke ble levert av utvikleren.

Et forstørret diagram av en slik datamaskinarkitektur er vist i fig. 2.9. Det operative minnet lagrer kommandoer og data fra kjørbare programmer, ALU gir ikke bare numerisk behandling, men deltar også i prosessen med input-output av informasjon, og utfører dens innføring i det operative minnet. En inngangs-/utgangskanal er en spesialisert enhet som opererer på kommandoer gitt av en kontrollenhet. Kanalen tillater tilkobling av et visst antall eksterne enheter. Kontrollenheten sørger for utførelse av programkommandoer og kontrollerer alle noder i systemet.

Ris. 2.9. Datamaskinarkitektur med lukket krets

Datamaskiner med denne arkitekturen er effektive til å løse rene beregningsproblemer. De er dårlig egnet for implementering av datateknologier som krever tilkobling av ekstra eksterne enheter og høy hastighet på informasjonsutveksling med dem.

6.2. Datasystemer med åpen arkitektur

Tidlig på 70-tallet. innen DEC (Digital Equipment Corporation) en datamaskin med en helt annen arkitektur ble foreslått. Denne arkitekturen gjorde det mulig å koble til alle perifere enheter fritt, noe som umiddelbart interesserte utviklere av kontrollsystemer for forskjellige tekniske systemer, siden den ga gratis tilkobling til en datamaskin med et hvilket som helst antall sensorer og aktuatorer. Hovedinnovasjonen var tilkoblingen av alle enheter, uavhengig av deres formål, til felles buss overføring av informasjon. Apparatene ble koblet til bussen iht buss standard. Bussstandarden var et fritt distribuert dokument som tillot produsenter av periferutstyr å utvikle kontrollere for å koble enhetene sine til busser av forskjellige standarder. Arkitekturen til en åpen datamaskin basert på bruk av en felles buss er vist i fig. 2.10. Generell ledelse av hele