Историческо развитие на изчислителните устройства •На Блез Паскал обикновено се приписва заслугата

Историческо развитие на изчислителните устройства

• На Блез Паскал обикновено се приписва заслугата за създаване на първата изчислителна машина (1642 година). Тя е можела да извършва събиране на числа, въведени посредством позициониране на набор от шайби.

• Блез Паскал формулирал основните проблеми, които трябва да бъдат решавани, при разработване на изчислителни устройства:

• по какъв начин да се представят числата в изчислителната машина ?

• как да се въвеждат числата в изчислителната машина?

• как да се извършват аритметични операции ?• как да се показват резултатите от изчисленията?


• Чарлз Бейбидж, професор по математика в Кеймбридж, Англия, се счита за баща на съвременните компютри, заради неговите изобретения в областта на механичните изчислителни устройства.

• Най-напред, през 1812 годна, той разработва така наречената ‘различаваща’ машина за решаване на полиномиални уравнения по метода на разликите.

• По-късно той разработва Аналитична машина – механичен цифров компютър с общо предназначение, контролиран изцяло от програми. Тази машина е била паралелен десетичен компютър, обработващ числа (думи) от по 50 десетични цифри.


• Идеята за използване на перфокарти като носител на информация влиза в употреба през 1890 година от Херман Холерит.

• На състезание за най-добър метод за подреждане (сортиране) на информацията от преброяване на населението, Холерит предлага устройство, използващо перфокарти. Без такова устройство обработката на данните би отнело години, докато с тази машина работата приключва за 6 седмици.

• Холерит основава компания за производство на сортиращи машини, която по късно прераства в една от най-известните компании в компютърния бранш - IBM (International Business Machines).


• По времето, когато се разработват първите изчислителни машини с електромагнитни релета, американският професор по теоретична физика Джон Атанасов (с български произход) разработва електронен компютър през периода 1937 – 1942 година.

• Той работи в Университета в щата Айова и заедно с асистента си Клифърд Бери разработва компютър, който носи наименованието ABC (Atanasoff-Berry Computer).

• Проектът на Джон Атанасов е наблюдаван по време на разработката много отблизо от Джон Мокли. През 1945 година той заедно с Проспер Екарт създават на основата на проекта на Джон Атанасов действащ електронен компютър ENIAC (electronic numerical integrator and computer) – изключителна за времето си машина.


• През 1967 година наследници на компанията, която основават Джон Мокли и Проспер Екарт (Sperry Rand Corporation), водят съдебен процес срещу Honeywell Inc за запазване на патент за първия електронен компютър ENIAC.

• Тогава се установява, че голяма част от патентите за които претендират наследниците на Мокли и Екарт са разработени в проекта на Джон Атанасов.

• След продължителен съдебен процес на 19 октомври 1973 година съдия Ърл Ларсън заличава патента на Мокли и Екарт и обявява Джон Атанасов за изобретател на първия електронен цифров компютър.

Двоична бройна система• Eдно число в двоична бройна система би се

представяло само с цифрите 0 и 1, например 10010011101.

• Тъй като цифрите 0 и 1 са цифри и от десетичната бройна система, за да е ясно в каква бройна система се записва числото, основата на бройната система се записва като индекс към числото: 10111001001(2).

• Едно двоично число може да се представи по следния начин:

• 11001001(2) = 1.27+1.26+1.24+1.20 = 128+64+16+1 = 109.

Двоична бройна система

• Съответствието между десетичните и двоични числа за началото на числовото множество (първите 10 числа) изглежда по следния начин:

• 0 - 0000 8 - 1000• 1 – 0001 9 - 1001• 2 – 0010 10 - 1010• 3 – 0011 11 - 1011• 4 – 0100 12 - 1100• 5 – 0101 13 - 1101• 6 – 0110 14 - 1110• 7 – 0111 15 - 1111• • От таблицата се вижда механизмът на образуване на

двоичните числа. • Начинът е същият както при десетичните числа, но тук се

комбинират само две цифри вместо 10. • Следващото двоично число 16 съдържа 5 цифри - 10000.

Представяне на информацията• Най-малката порция информация се явява

отговорът на елементарен въпрос, изискващ два отговора – ‘да’ или ‘не’.

• Това графически може да се представи с една от двете цифри от двоичната бройна система – 0 и 1.

• Информацията, съдържаща един от двата възможни отговора ‘да’ или ‘не’ или една от двете цифри от двоичната бройна система се нарича ‘бит’ (bit).

Представяне на информацията• Един бит информация може да бъде

представена по различен начин в техническите устройства

• в електронните устройства посредством нулево ниво на напрежение и някакво друго ниво;

• затворена или отворена електрическа верига; • намагнитен или ненамагнитен участък от

магнитен материал и т.н. • По този начин чрез устройства, осигуряващи

две устойчиви състояния, може да се представя двоична информация

Представяне на информацията

• Двоичната информация се комплектова като съвкупност от битове.

• Различните типове и количество информация заемат различен брой битове.

• В компютърните системи битовете с двоична информация се групират в елементи, наречени байтове (B - byte).

• Един байт се състои от 8 последователно разположени бита.

• Производни единици на байта са килобайт (1 KB = 1024 B), мегабайт (1 MB = 1024 KB), гигабайт (1 GB = 1024 MB) и т.н.

Представяне на информацията• Производните единици КВ, МВ, GB, TB (терабайт) се

различават малко от стандартните измервателни единици - вместо 1000 като множител за производните единици се използва близкото число 210 = 1024.

• Използва се такъв начин на образуване на производните единици поради специфичната природа на двоичните числа (необходима е кратност към основата на бройната система - 2).

• Така най-икономично се управляват апаратните ресурси на компютърните системи, при комплектоване и разпределение на паметта.

Цели числа

• В зависимост от големината на числото за представянето му са необходими различен брой цифри (битове).

• В изчислителните системи за представяне на числата обикновено се отделя фиксиран брой битове (байтове).

• Това означава, че в областта определена за представяне на дадено число може да се изобрази стойност в ограничен диапазон.

• Максималната стойност (число), която може да се представи в област с n бита се определя от броя на различните комбинации от ‘0’ и ‘1’, които могат да се съставят с n двоични цифри.

• Тъй като броят на комбинациите от две състояния на n елемента е 2n, то с n бита може да се представи цяло число в интервала 0 ÷ 2n-1 (числото ‘0’ е една от възможните комбинации и максималната стойност е с 1 по-малка).

• Така в един байт (8 бита) може да се представи цяло число в интервала 0 ÷ 28-1 или 0 ÷ 255.

Представяне на символна и текстова информация.

• Американският национален институт по стандартизация (ANSI) разработва специална кодова таблица ASCII (American Standard Code for Information Interchange).

• Тази кодова таблица намери много широко разпространение, като продължава да се използва и сега (произнася се ‘ас-кий’).

• Когато се е разработвал този стандарт, се е смятало, че всички използвани в изчислителните машини символи не надвишават 120 броя и могат да се кодират с не повече от 7 двоични цифри: 27 = 128.

• Все пак, като допълнително подсигуряване е прието символите да записват с 8 двоични цифри, което е позволявало да се кодират до 256 символа.

• Това всъщност е и причината битовете в паметта да се групират по 8 и да образуват байтове.

• Всъщност 1 байт е поле в паметта, където може да бъде записан един символ.


• Oсновните символи, използвани в компютърните системи, са кодирани в първата половина на кодовата таблица (номера до 128).

• Това са всички възможни двоични комбинации, за които първият бит е 0.

• Например, в ASCII таблицата с номера от 48 до 57 се кодират цифрите; с номера от 65 до 190 – главните латински букви; от 96 до 119 – малките латински букви и. т. н

• С номера по-големи от 128 (старшият бит 1) са кодирани някои специални символи като символи от немската и френска азбука и редица графични символи за получаване на прости графични обекти (правоъгълници, таблици и други).

• Символите с номера над 128 се използваха дълго време за вграждане на други символни вериги (азбуки) в компютърните системи.

• По този начин се използваше и кирилицата при създаване на документи и програмно осигуряване на български език. За целта част от символите от стандартната ASCII кодова таблица с номера над 128 се заменяха с графични знаци от кирилицата.


• Unicode. • Ако на планетата се използваше само един език

(английски), тогава кодовата таблица ASCII щеше да бъде напълно достатъчна и вероятно щеше да се използва много дълго време.

• Съществуват обаче множество езици, които при съвременното развитие и използване на компютърните системи изискват много повече от старата ASCII таблица и пригаждането й към различни азбуки.

• Особено големи са изискванията на литературата – тя използва много характерни особености на различните азбуки като ударения, транскрипции и други.


• Решението на този въпрос (може би също временно) е въвеждането на системата за кодиране Unicode.

• Същественото при тази система за кодиране на текстови символи е, че за представянето на един символ се използва не един байт (8 бита), а 2 байта (16 бита).

• Това означава, че в Unicode могат да се кодират до 65536 различни символа (216).

• Кодът на всеки символ съдържа старши байт (8 бита), който определя веригата (азбуката) и младши байт, определящ конкретния символ в дадената азбука. За всяка азбука се отделят по 265 символа, където се кодират както основните символи, така и специални символи (ударения, графични означения и т.н.).

Представяне на графична информация

• Съвременните компютърни системи могат да обработват графични изображения, картини, анимация, видео.

• Тези възможности на компютрите всъщност ги направиха толкова популярни и широко разпространени.

• В тази връзка е от съществено значение как се представя едно графично изображение в паметта на компютърните системи и как се обработва графична информация.

• Съществуват две категории графични изображения: растерна графика и векторна графика.

Представяне на графична информация• Растерна графика. При растерните методи изображението се

представя като съвкупност от отделни елементи от картината, наречени пиксели (pixel – съкращение от picture element).

• Казано по-просто, графическото изображение се кодира във вид на последователност от битове, които описват редовете от пиксели.

• Ако изображението е черно-бяло, за описанието на един пиксел бихме могли да използваме 1 бит (стойност 0 ако пикселът е бял и 1 – ако е черен). Такава картина би била много проста и неточна, тъй като не се отчита интензивността на черното в отделните пиксели.

• Още по-сложно става представянето на цветни изображения. Представянето на графичните изображения чрез съвкупност от пиксели се нарича битова карта на изображението (bitmap).


• Повечето графични устройства (дисплей, скенер, цветен печат и други) разделят цвета на даден пиксел на три основни цвята – червен, зелен и син (RGB – red, green, blue).

• При стандартно графично изображение интензивността на всеки цвят се задава с помощта на 256 нива (стойности).

• Следователно, за всеки основен цвят на пиксела е необходим 1 байт (8 бита) памет.

• Ако изображението се съхранява в растер (разрешаваща способност) от 1280 реда х 1024 пиксела на ред (1280 х 1024) ще са необходими няколко мегабайта (МВ) памет за съхраняване на изображението.


• Съществуват различни методи за сгъстяване (компресиране) на информацията за графичните изображения.

• Типични формати за представяне на графика са GIF (Graphic Interface Format), JPEG () и други.

• Изображенията могат да се представят и като определена комбинация от цветове (16, 32, 256 цвята). В тези случаи от всички възможни комбинации на интензивност на трите основни цвята се подбира набор от определен брой основни цвята, с които се представя дадена картина (всеки пиксел се идентифицира с някой от тези основни цветове).

• Основен недостатък на растерната графика е невъзможността за пропорционално изменение на картината. При увеличаване на размера на картината се получава зърнитост, тъй като размерите на отделните пиксели се увеличават и това се отразява на общия вид на изображението.

• Типични програмни продукти, които обработват растерни графични изображения, са Photoshop, Photopaint, Corel Draw и други.

Представяне на графична информация• Векторна графика. Друг способ за представяне на графични

изображения е посредством векторна графика. • Изображението се представя като съвкупност от геометрични

елементи (линии, окръжности, правоъгълници и други). • В паметта се записват данни, които определят тези елементи

(координати, радиуси, ъгли), а приложенията, които обработват графиката, построяват визуалното изображение по тези данни.

• Този начин на представяне на графични изображения може да се използва само за схеми, диаграми, графики. Предимството му е, че изображението заема по-малка памет и мащабирането на изображенията не представлява проблем.

• Така са построени и голяма част от текстовите шрифтове, което позволява лесното им мащабиране. Най-често използваните графични приложения за работа с векторна графика са AutoCAD, Corel Draw, Microsoft Visio и други.

Представяне на звукова информация• Най-широко приложение за кодиране на звукова информация

(аудиоинформация) е получил методът на измерване на амплитудата на звуковата вълна през определени интервали и запис на получените стойности като двоични числа.

• За да се получи необходимото качество на звука, трябва да се използва достатъчно малък интервал на разделяне на времетраенето на звука.

• Основното правило е да се подбере такава честота на запис на амплитудата на звуковата вълна, която да е най-малко два пъти по-голяма от максималната звукова честота, която може да се възприеме от човешкото ухо.

• В съвременните цифрови системи за запис на звук (музика) се използва звуков формат с отчитане на 44100 стойности на амплитудата на звука за секунда.

• Всяка амплитуда се записва в 16 - битов формат (65356 нива на звукова интензивност), а ако е стереозапис, се прилага 32 - формат. Следователно за запис на 1 секунда текст са необходими 88200 байта (172400 байта за стереозапис).

Представяне на звукова информация

• Използването на такъв формат за запис на звукова информация изисква огромна памет.

• Използват се различни начини за компресиране на звуковата информация, така че разходът на памет да стигне поносими нива.

• • Един от най-популярните разработчици на формати

за компресиране на графична и звукова информация е асоциацията Motion Picture Experts Group (MPEG).

• Напоследък голямо разпространение получи един от продуктите на тази група - MP3, при който се реализира степен на компресия на информацията 12:1.

Системно програмно осигуряване • Една от най важните задачи на системното програмно

осигуряване е достъпът до хардуерните елементи на КС. • Това не може да се извърши директно от програмата на

потребителя.

• Например, не може да се осъществи директно обръщение на микропроцесора към видеоконтролера на КС.

• Вместо това програмата може да използва ROM – BIOS и операционната система (DOS, Windows), които да подготвят правилна заявка за използване на това устройство.

• Тези програмни системи се явяват като посредници за достигане на хардуерните елементи.

• ROM BIOS–ът и операционната система са създадени именно за тази цел – да управляват достъпа до хардуера.

Системно програмно осигуряване

• Взаимодействието между апаратната част на КС и приложните програми с използване на системното програмно осигуряване може да се представи посредством трипластов модел, както е показано на фигурата

Хардуер

BIOS

Операционна система

Приложни програми

Организация на компютърни мрежи

• Едно от най-важните изисквания към съвременните компютърни системи е необходимостта от съвместно използване на информацията и ресурсите на различни машини.

• Затова компютрите могат да се обединяват в групи свързани помежду си машини, наричани компютърни мрежи.

• В миналото основната концепция беше една централна голяма машина да обслужва множество потребители (терминали, малки компютри).

• Сега по-често се използва концепцията множество малки компютърни машини да се обединяват в мрежа, в която потребителите ползват съвместно ресурсите, разпределени в цялата мрежа – принтери, скенери, програмни пакети, големи дискове или информация.

Организация на компютърни мрежи• Голяма част от проблемите по координацията на работата при

създаването на компютърните мрежи се отнася до частта от операционната система, която управлява обмена на данни между компютърните системи в мрежата.

• Всяка компютърна мрежа принадлежи към някоя от следните основни категории: локална изчислителна мрежа (LAN, Local Area Networks) и глобални изчислителни мрежи (WAN, Wide Area Networks).

• Локалната мрежа, като правило се състои от няколко компютъра, намиращи се в една сграда или в комплекс от сгради. Например, компютрите използвани в даден университет или в завод могат да се свържат в една LAN мрежа.

• Глобалната компютърна мрежа свързва компютри, намиращи се на голямо разстояние един от друг, например компютри, намиращи се в различни части на даден град, страна или света.

• Основната разлика между локалните и глобални мрежи се състои в различните технологии използвани за свързване на отделните компютърни системи.

Internet• Ако се свържат няколко съществуващи компютърни мрежи в

една обща мрежа се получава мрежа от мрежи.

• Най-известната такава мрежа е глобалната мрежа Internet.

• Тя възниква през 1973 година с разработване на програма започната от американската агенция DARPA, извършваща изследвания за министерството на отбраната на САЩ.

• Целта е била да се разработят средства за свързване на разнообразни компютърни мрежи, които да работят надеждно като единна мрежа.

• Сега Internet е глобално обединение на голям брой локални и глобални мрежи, включваща милиони компютри по целия свят. Мрежите в Internet са свързани с помоща на специални машини, наричани маршрутизатори (шлюзове). Тяхната роля е да управляват пренасянето на информация между отделните мрежи в глобалната мрежа.

Internet• Internet може да се разглежда като обединение на мрежови

клъстери (обособени глобални или локални мрежи), които се наричат домейни (domain).

• Всеки домеин обикновено се състои от мрежи, принадлежащи на някоя организация (университет, учреждение, министерство, голяма компания и други). Всеки домейн се явява автономна система.

• Адресът на всяка машина в Internet се задава със символен низ от 32 бита, състоящ се от две части: първата част задава домейна, в който се намира машината, а втората определя конкретната машина в домейна.

• Частта от адреса определяща домейна се нарича мрежов идентификатор и се присвоява на домейна от организацията InterNIC (Internet Network Information Center - Център за мрежова информация в Internet).

• Това се извършва при регистрацията на домейна в InterNIC. Тази процедура гарантира, че всеки домейн ще има уникален мрежов идентификатор и ще бъде достъпен от всички домейни свързани в Internet.

Internet

• Частта от адреса, определящ конкретната машина в домейна се нарича адрес на възела (host).

• Адресът на всеки възел се задава от локалния администратор на домейна. Адресът на една машина се съхранява в битова форма и изглежда по следния начин: 192.207.177.133.

• Отделните байтове в адреса обикновено се записват с точка между тях. Тук първите три тройки числа определят мрежовия идентификатор на домейна, а последните - номера на машината в домейна.

• Представянето на адреса в битова форма е неудобно за използване, поради което InterNIC присвоява на всеки домейн и уникален мнемоничен адрес, който се явява име на домейна.

• Така например, мнемоничния адрес на домейна на Югозападен университет е swu.bg.

Операционна система Windows

• Windows е многозадачна операционна система. • Това означава, че CPU известно време изпълнява някоя

задача, след което я изоставя и известно време изпълнява друга задача, изоставя я и нея и започва трета и т.н.

• Ако всеки такъв промеждутък е много кратък, CPU ще се връща към изпълнението на дадена задача много пъти, а за потребителя ще изглежда, че програмите се изпълняват едновременно.

• На практика CPU изпълнява разпределение на времето (time sharing), квантуване на времето (time slicing) или временно уплътняване (time domain multiplexing).

• Това може да бъде реализирано по два начина. И в двата случая е необходима специална програма, супервизор (supervisor), която осъществява превключване на CPU от една програма към друга.

Графична обвивка на Windows

• Основното работно пространство на Windows интерфейса се нарича Desktop.

• Това е главният прозорец, който се установява след стартиране на КС. Върху него се намират основните инструменти, чрез които Windows обслужва потребителите на КС.

• В пространството на Desktop са разположени определен брой малки картини (икони).

• Всяка икона представя определен обект (програма) или папка в която са групирани програми, които могат да бъдат стартирани. Стартирането на програмите се извършва чрез двукратно натискане на бутона на мишката върху иконата на съответната програма.

• В терминологията на Windows се използва широко терминът Folder (папка).

• Това понятие заменя понятието подкаталог (директория), което се използваше в по-ранните версии на DOS системите.

Графична обвивка на Windows

• Разглеждане (проверка) на съдържанието на отделните дискови устройства (програми и файлове) може да се извърши по различен начин.

• В стандартната конфигурация на графичния интерфейс на Windows има два инструмента, които могат да се използват за тази цел. Това са My Computer и Windows Explorer.

• Първият се намира върху основният прозорец (Desktop) и се разполага още при инсталирането на системата, а вторият може да се позиционира при желание на потребителя.

• Основна роля в организацията на работата с Windows играе така нареченият ред (бар) със задачите.

• Върху него се намира бутон Start – с него се отваря меню, в което има редица възможности за настройка на операционната система (settings); за търсене на файлове или подкаталози по различни признаци (Find); директно стартиране на програми и др.

• Едно от най-важните полета в стартовото меню е Programs.

Documents

Историческо развитие на изчислителните устройства •На Блез Паскал обикновено се приписва заслугата