ДУП.03 Основы информационных технологий

Лекция 1 · 1,5 часа (пара)

Компьютер (ЭВМ) — это универсальное электронное программно-управляемое устройство для хранения, обработки и передачи информации.

Бит (bit) — это минимальная единица измерения информации в компьютере.

• Это как выключатель: включено (1) или выключено (0).
• В компьютере вся информация представляется в виде последовательности битов.
• Например, буква 'A' в памяти — это определённый набор из 8 бит.

Почему 0 и 1? Потому что компьютеры построены на электрических сигналах: есть напряжение — 1, нет напряжения — 0.

Байт (byte) — это группа из 8 бит.

• В одном байте можно закодировать 256 различных значений (от 0 до 255).
• Этого достаточно, чтобы представить латинскую букву, цифру или специальный символ.
• Таблица ASCII использует 1 байт для хранения одного символа.

Производные от байта (обычно используют степени двойки):

Важно: производители дисков часто используют десятичную систему (1 КБ = 1000 Б), поэтому объём диска «меньше» ожидаемого.

Разрядность процессора — это количество бит, которое он может обработать за один такт.

• Чем больше разрядность, тем больше данных обрабатывается за раз.
• Разрядность определяет максимальный объём памяти, который может адресовать процессор.
• Также влияет на точность вычислений (чем больше бит, тем точнее числа).

До появления механических машин люди использовали простые инструменты для счёта.

• Абак (счёты) — появился в Древнем Вавилоне (около V в. до н.э.). Использовался для арифметических операций.
• Таблицы Непера (1617) — логарифмические таблицы, упрощавшие умножение и деление.
• Логарифмическая линейка (1620) — изобретена Уильямом Отредом. Позволяла быстро выполнять сложные инженерные расчёты.

Эти инструменты облегчали вычисления, но требовали участия человека.

• Машина Шиккарда (1623) — первая механическая счётная машина. Могла выполнять сложение и вычитание.
• Арифмометр Лейбница (1673) — уже мог умножать и делить.
• Аналитическая машина Чарльза Бэббиджа (1833) — первый проект программируемого компьютера.

Она была механической и не была построена при жизни Бэббиджа, но её архитектура стала прообразом современных компьютеров.

Марк I (Harvard Mark I) — создан в Гарвардском университете под руководством Говарда Эйкена.

• Использовал электромеханические реле (не электронные лампы).
• Длина — 15 метров, вес — 5 тонн.
• Работал с 23-разрядными числами.
• Мог выполнять сложение, вычитание, умножение, деление и работать с таблицами.

Это был важный шаг от чисто механических машин к электронным.

Электронные лампы стали основой первых электронных компьютеров.

• ENIAC (1945, США) — первая электронная вычислительная машина общего назначения. 18 000 радиоламп, 30 тонн вес, 5000 операций в секунду.
• EDSAC (1949, Англия) — первая ЭВМ с хранимой в памяти программой (архитектура фон Неймана).
• МЭСМ (1951, СССР) — первая советская ЭВМ, созданная С.А. Лебедевым.

Характеристики: быстродействие ~20 000 оп/с, ОЗУ — сотни байт, носители — перфокарты и магнитные ленты.

Изобретение транзистора (1948) произвело революцию.

• Транзисторы заменили громоздкие и ненадёжные лампы.
• Компьютеры стали меньше, быстрее и экономичнее.
• Появились 12-, 18- и 36-разрядные машины (например, DEC PDP-1, IBM 7090).
• Начали появляться первые языки программирования (Фортран, Алгол).

Важно: именно тогда сформировалось понятие «битность» как ключевая характеристика производительности.

Интегральные микросхемы (чипы) — несколько транзисторов на одной пластине.

• Изобретены в 1958 году Джеком Килби (Texas Instruments).
• Появление семейства IBM/360 (1964) — универсальные компьютеры для бизнеса и науки.
• Быстродействие — до 1 млн операций в секунду.
• Появились операционные системы и языки высокого уровня (Бэйсик, Паскаль, Си).

Машины стали меньше, дешевле и доступнее для организаций.

Микропроцессор — вся логика процессора на одном кристалле.

• Intel 4004 (1971) — первый 4-разрядный микропроцессор.
• Intel 8008 (1972) — 8-разрядный.
• Intel 8080 (1974) — 8-разрядный, основа Altair 8800 (первого «персонального» компьютера).
• Снижение стоимости компьютеров, появление пользователей-непрофессионалов.

Ключевое изменение: компьютер стал доступен не только крупным организациям, но и отдельным людям.

Intel 4004 — первый в мире микропроцессор.

• Был 4-разрядным.
• Мог адресовать всего 4 КБ памяти (2² × 1024).
• Использовался в основном в калькуляторах.

Что означала 4-битность? За один такт процессор обрабатывал 4 бита (полбайта). Это было достаточно для простых арифметических операций, но очень ограничивало возможности.

Intel 8080 (1974), Zilog Z80, MOS 6502 — легендарные 8-битные процессоры.

• Могли адресовать до 64 КБ памяти (2¹⁶ байт).
• Использовались в первых массовых ПК: Altair 8800, Apple II, Commodore 64, ZX Spectrum.
• За один такт обрабатывали 8 бит (1 байт).

Этого было достаточно для текстовых редакторов, простых игр и таблиц, но уже не хватало для сложных приложений.

Intel 8086 (1978) и Intel 8088 (1979) — основа IBM PC.

• 16-разрядная архитектура — за такт 16 бит (2 байта).
• Могли адресовать до 1 Мбайта памяти (2²⁰ байт).
• Это позволило запускать более сложные программы и операционные системы.

Почему 1 МБ? 16 бит дают 65536 адресов, но через сегментацию в 8086 получалось 1 МБ — прорыв для того времени.

Intel 80386 (1985) — первый 32-разрядный x86 процессор.

• За такт обрабатывал 32 бита (4 байта).
• Мог адресовать до 4 ГБ памяти (2³² байт).
• Это позволило создавать мощные операционные системы (Windows, Linux) и сложные программы.

32 бита долгое время были стандартом. 4 ГБ ОЗУ казались огромным объёмом, но к 2000-м годам этого стало не хватать.

AMD64 (2003) и Intel EM64T — расширение x86 до 64 бит.

• За такт — 64 бита (8 байт).
• Теоретически адресуют до 16 эксабайт памяти (2⁶⁴ байт). На практике — 128 ТБ и более.
• Современные версии Windows, Linux и macOS — преимущественно 64-битные.

Преимущества: поддержка больших объёмов ОЗУ, более высокая производительность в ресурсоёмких задачах, улучшенная безопасность.

К началу 1980-х рынок был сильно раздроблен:

• Apple II (1977) — 8 бит, MOS 6502, своя ОС.
• Commodore PET (1977) — 8 бит, также 6502.
• TRS-80 (1977) — 8 бит, Z80.
• Atari 8-bit (1979) — для игр и дома.

Главная проблема: программное обеспечение было несовместимо. Программа, написанная для Apple II, не работала на Commodore. Это тормозило развитие.

12 августа 1981 года — рождение стандарта.

• Процессор: Intel 8088 (16-битная архитектура, 8-битная шина).
• ОЗУ: от 16 до 256 КБ.
• ОС: PC‑DOS (MS‑DOS от Microsoft).
• Цена: от $1,565.

Успех был колоссальным: за первый месяц — более 240 000 проданных машин.

IBM опубликовала все спецификации оборудования. Это позволило:

• Производителям создавать совместимые компоненты.
• Появились «клоны» IBM PC — компьютеры, полностью совместимые с оригиналом.

Три столпа открытости:

• Intel — процессоры доступны всем.
• Phoenix — создан альтернативный BIOS (без нарушения авторских прав).
• Microsoft — лицензирование MS‑DOS для всех.

Почему PC стал доминировать?

• Открытость → конкуренция → снижение цен.
• Совместимость → программы работают везде.
• Эффект сети: больше пользователей → больше разработчиков → больше программ.

• Открытая архитектура — любой производитель может создавать компоненты.
• Совместимость — программа работает на любом PC.
• Конкуренция — снижение цен, рост производительности.
• Эффект сети — больше пользователей → больше ПО → ещё больше пользователей.

К концу 1990-х PC-совместимые компьютеры заняли более 90% рынка.

• Материнская плата — основа, соединяет всё.
• Процессор (CPU) — выполняет вычисления.
• Оперативная память (RAM) — временное хранение данных и команд.
• Чипсет — связывает процессор, память и периферию.
• Накопители — HDD/SSD для долговременного хранения.
• Шины расширения — для подключения доп. устройств (PCI‑E, USB).
• BIOS/UEFI — прошивка для запуска и загрузки ОС.

• Северный мост — высокоскоростные компоненты (процессор, память, видео).
• Южный мост — периферийные шины и контроллеры.

В современных CPU северный мост встроен в процессор.

Три параметра, определяющих производительность шины:

• Разрядность — сколько бит передаётся за такт (например, 32 или 64).
• Частота — тактовая частота (в МГц или ГГц).
• Пропускная способность — объём данных в секунду (МБ/с, ГБ/с).

Формула (приближённая): ПС = (Разрядность / 8) × Частота.

Задача: рассчитать пропускную способность шины PCI с частотой 33 МГц и разрядностью 32 бита.

Пояснение: 32 бита = 4 байта. За 1 такт передаётся 4 байта. Тактов 33 миллиона в секунду. Итого 4 × 33 = 132 миллиона байт/с = 132 МБ/с.

Важно: на практике скорость ниже из-за служебных сигналов и задержек.

• HDD — магнитные диски, большая ёмкость, доступная цена.
• SSD — флеш-память, высокая скорость, надёжность.
• Оптические приводы — CD, DVD, Blu‑ray.
• USB-накопители — флешки, внешние диски.

• Сетевые карты (NIC) — Ethernet (10/100/1000 Мбит/с), Wi‑Fi.
• Модемы — для подключения к интернету (ADSL, кабельные, мобильные 4G/5G).

BIOS (Basic Input/Output System) — прошивка на материнской плате. Выполняет:

• Проверку оборудования (POST).
• Загрузку операционной системы.
• Предоставление базового интерфейса для работы с железом.

CMOS — память, питающаяся от батарейки. Хранит настройки BIOS (дата, порядок загрузки, параметры дисков).

• PCI — параллельная шина, 32/64 бит, 33/66 МГц.
• AGP — ускоренный порт для видеокарт (устарел).
• PCI‑E — последовательная шина, x1, x4, x8, x16 (основная сегодня).
• USB — универсальная шина, горячее подключение.
• PCMCIA — для ноутбуков (PC Card).
• FireWire (IEEE 1394) — для мультимедийных устройств.

В современных процессорах (Intel Core с Sandy Bridge, AMD Ryzen) контроллер памяти и линии PCI‑E встроены в CPU.

Отдельного чипа северного моста больше нет — его функции выполняет процессор.

Задача: рассчитать пропускную способность памяти DDR4‑3200 (одноканальный режим).

• Частота передачи: 3200 МГц (мегатранзакций/с).
• Разрядность: 64 бита = 8 байт.

В двухканальном режиме — 51.2 ГБ/с. Для DDR5‑6400: 8 × 6400 = 51.2 ГБ/с (один канал).

Открытая архитектура и стандартизация (PCI‑E, USB, SATA) — основа современной экосистемы.

• Открытая архитектура — любой производитель может создавать компоненты.
• Совместимость — программа работает на любом PC.
• Конкуренция — снижение цен, рост производительности.
• Эффект сети — больше пользователей → больше ПО → ещё больше пользователей.

К концу 1990-х PC-совместимые компьютеры заняли более 90% рынка.

Мы рассмотрели:

• Основы информации: бит, байт, единицы измерения.
• Полную историю развития: от абака и Бэббиджа до 64-разрядных процессоров.
• Эволюцию битности: 4 → 8 → 16 → 32 → 64 бита и её влияние на возможности ПК.
• Рынок 1980-х и рождение IBM PC как стандарта.
• Открытую архитектуру и роль IBM, Intel, Microsoft.
• Ключевые компоненты и шины современного компьютера.