Материал по информатике на тему "Принцип построения компьютера"

ВВЕДЕНИЕ

Потребность в автоматизации вычислений привела к созданию вначале простейших механических устройств, выполняющих арифметические действия, которые с развитием техники и появлением новых знаний совершенствовались и усложнялись.

В XVII веке был изобретен арифмометр, выполняющий 4 арифметических действия; в XIX веке была изобретена (но не доведена до конца из-за несовершенства технологии) Аналитическая Машина, которая могла выполнять последовательность команд без участия человека. Программы вводились на перфокартах.

В 1941-1943 гг. были сконструированы машины вначале на основе электромеханических реле, а затем на основе электронных ламп. Это были машины огромных размеров с очень сложными соединениями, которые постоянно приходилось пересоединять.

С изобретением транзисторов размеры компьютеров значительно уменьшились. В 1958 г. были изобретены интегральные схемы, у которых на одной пластине размещались все транзисторы и соединения между ними. В 1968 г. был выпущен первый компьютер на интегральных схемах, а в 1970 году фирма Intel начала продавать интегральные схемы памяти. Следом была сконструирована интегральная схема, аналогичная по своим функциям центральному процессору большой ЭВМ. В начале 1975 года появился первый компьютер, построенный на основе микропроцессора фирмы Intel.

Принципы построения компьютера

В основу построения подавляющего большинства компьютеров положены следующие общие принципы, сформулированные в 1945 г. Американским ученым Джоном фон Нейманом.

1. Принцип программного управления. Принцип программного управления заключается в том, что любая программа представлена набором команд, которые выполняются процессором автоматически друг за другом в определенной последовательности.

Счетчик команд осуществляет выборку программы из памяти. Этот регистр процессора последовательно увеличивает хранимый в нем адрес очередной команды на длину команды.

А так как команды программы расположены в памяти друг за другом, то тем самым организуется выборка цепочки команд из последовательно расположенных ячеек памяти.

Если же нужно после выполнения команды перейти не к следующей, а к какой-то другой команде, используются команды условного или безусловного переходов, которые заносят в счетчик команд номер ячейки памяти, содержащей следующую команду. Команда «стоп» прекращает выборку команд из памяти.

Таким образом, процессор исполняет программу автоматически, без вмешательства человека.

2. Принцип однородности памяти. Программы и данные хранятся в одной и той же памяти. Поэтому компьютер не различает, что хранится в данной ячейке памяти – текс, число или команда. Над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными. Это открывает целый ряд возможностей. Например, программа в процессе своего выполнения также может подвергаться переработке, что позволяет задавать в самой программе правила получения некоторых ее частей (так в программе организуется выполнение циклов и подпрограмм). Более того, команды одной программы могут быть получены как результаты исполнения другой программы. На этом принципе основаны методы трансляции – перевода текста программы с языка программирования высокого уровня на язык конкретной машины.

3.  Принцип адресности. Структурно основная память состоит из перенумерованных ячеек; процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка. Отсюда следует возможность давать имена областям памяти, так, чтобы к запомненным в них значениям можно было впоследствии обращаться или менять их в процессе выполнения программ с использованием присвоенных имен.

Компьютеры, построенные на этих принципах, относятся к типу фон-неймановских. Но существуют компьютеры, принципиально отличающиеся от фон-неймановских. Для них, например, может не выполняться принцип программного управления, т. е. они могут работать без «счетчика команд», указывающего текущую выполняемую команду программы. Для обращения к какой-либо переменной, хранящейся в памяти, этим компьютерам не обязательно давать ей имя. Такие компьютеры называются не-фон-неймановскими.

Основными функциональными характеристиками персонального компьютера являются:

1) производительность, быстродействие, тактовая частота. Производительность современных ЭВМ измеряют обычно в миллионах операций в секунду;

2) разрядность микропроцессора и кодовых шин интерфейса. Разрядность – это максимальное количество разрядов двоичного числа, над которым одновременно может выполнятся машинная операция, в том числе и операция передачи информации; чем больше разрядность, тем, при прочих равных условиях, будет больше и производительность персонального компьютера;

3) типы системного и локальных интерфейсов. Разные виды интерфейсов обеспечивают разные скорости передачи информации между узлами машины, позволяют подключать разное количество внешних устройств и различные их виды;

4) емкость оперативной памяти. Емкость оперативной памяти измеряется обычно в Мбайтах. Многие современные прикладные программы с оперативной памятью, имеющие емкость меньше 16 Мбайт, просто не работают либо работают, но очень медленно;

5) емкость накопителя на жестких магнитных дисках (винчестера). Емкость винчестера измеряется обычно в Гбайтах.

6) тип и емкость накопителей на гибких магнитных дисках. Накопители на гибких магнитных дисках, использующие дискеты диаметром 3, 5 дюйма, имеющие стандартную емкость 1, 44 Мб (в настоящее время данный тип накопителей не находит широкого применения).

7) наличие, виды и емкость кэш-памяти. Кэш-память – это буферная, недоступная для пользователя быстродействующая память, автоматически используемая компьютером для ускорения операций с информацией, хранящейся в более медленно действующих запоминающих устройствах. Наличие кэш-памяти емкостью 256 Кбайт увеличивает производительность персонального компьютера примерно на 20%;

Полную информацию смотрите в файле. 

ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ КОМПЬЮТЕРА

Методическое пособие по дисциплине: «Информатика»

2015 год

В данном методическом пособии рассмотрена тема: «Принципы построения компьютера». Использование данного материала обеспечивает эффективность обучения студентов по дисциплине: «Информатика». Данное методическое пособие так же можно использовать для преподавателей, студентов учебных заведений различного уровня по дисциплине: «Информационные технологии в профессиональной деятельности».

Теоретический материал представляет собой попытку создания на дос­тупном студенту уровне цельной картины по теме: «Принципы построения компьютера» по информатике в фундаменталь­ном его аспекте. В нем рассматриваются такие содержательные линии курса информатики, как принципы построения компьютера, принцип программного управления, принцип однородности памяти, принцип адресности, выполнение команд, архитектура и структура компьютера, наиболее распространены архитектурные решения. Для закрепления знаний пройденного материала представлены контрольные вопросы.

Помимо студентов пособие также может быть рекомендовано всем желающим получить основные понятия о современных информационных тех­нологиях и быстро освоить навыки работы с популярными программными про­дуктами на современных персональных компьютерах.

СОДЕРЖАНИЕ

1. Ведение. 4

2. Принципы построения компьютера. 5

3. Принцип программного управления. 6

4. Принцип однородности памяти. 7

5. Принцип адресности. 8

1. Выполнение команд. 11

2. Архитектура и структура компьютера. 13

3. Наиболее распространенные архитектурные решения. 14

4. Вопросы для самоконтроля. 20

5. Использованная литература. 22

ВВЕДЕНИЕ

Потребность в автоматизации вычислений привела к созданию вначале простейших механических устройств, выполняющих арифметические действия, которые с развитием техники и появлением новых знаний совершенствовались и усложнялись. 
В XVII веке был изобретен арифмометр, выполняющий 4 арифметических действия; в XIX веке была изобретена (но не доведена до конца из-за несовершенства технологии) Аналитическая Машина, которая могла выполнять последовательность команд без участия человека. Программы вводились на перфокартах. 
В 1941-1943 гг. были сконструированы машины вначале на основе электромеханических реле, а затем на основе электронных ламп. Это были машины огромных размеров с очень сложными соединениями, которые постоянно приходилось пересоединять. 
С изобретением транзисторов размеры компьютеров значительно уменьшились. В 1958 г. были изобретены интегральные схемы, у которых на одной пластине размещались все транзисторы и соединения между ними. В 1968 г. был выпущен первый компьютер на интегральных схемах, а в 1970 году фирма Intel начала продавать интегральные схемы памяти. Следом была сконструирована интегральная схема, аналогичная по своим функциям центральному процессору большой ЭВМ. В начале 1975 года появился первый компьютер, построенный на основе микропроцессора фирмы Intel.

Рис. 1. Персональный компьютер.

Принципы построения компьютера

В основу построения подавляющего большинства компьютеров положены следующие общие принципы, сформулированные в 1945 г. Американским ученым Джоном фон Нейманом.

Рис. 2. Основы построения компьютеров.

1. Принцип программного управления. Принцип программного управления заключается в том, что любая программа представлена набором команд, которые выполняются процессором автоматически
друг за другом в определенной последовательности.

Счетчик команд осуществляет выборку программы из памяти. Этот регистр процессора последовательно увеличивает хранимый в нем адрес очередной команды на длину команды.

А так как команды программы расположены в памяти друг за другом, то тем самым организуется выборка цепочки команд из последовательно расположенных ячеек памяти.

Если же нужно после выполнения команды перейти не к следующей, а к какой-то другой команде, используются команды условного или безусловного переходов, которые заносят в счетчик команд номер ячейки памяти, содержащей следующую команду. Команда «стоп» прекращает выборку команд из памяти.

Таким образом, процессор исполняет программу автоматически, без вмешательства человека.

Рис.3. Cчётчики команд.

2. Принцип однородности памяти. Программы и данные хранятся в
одной и той же памяти. Поэтому компьютер не различает, что хранится в
данной ячейке памяти – текс, число или команда. Над командами можно
выполнять такие же действия, как и над данными. Это открывает целый ряд
возможностей. Например, программа в процессе своего выполнения также
может подвергаться переработке, что позволяет задавать в самой программе
правила получения некоторых ее частей (так в программе организуется выполнение циклов и подпрограмм). Более того, команды одной программы
могут быть получены как результаты исполнения другой программы. На этом
принципе основаны методы трансляции – перевода текста программы с языка
программирования высокого уровня на язык конкретной машины.

3. Принцип адресности. Структурно основная память состоит из
перенумерованных ячеек; процессору в произвольный момент времени
доступна любая ячейка. Отсюда следует возможность давать имена областям
памяти, так, чтобы к запомненным в них значениям можно было впоследствии
обращаться или менять их в процессе выполнения программ с использованием присвоенных имен.

Рис.4.Схематичное изображение машины фон Неймана.

Компьютеры, построенные на этих принципах, относятся к типу фон-неймановских. Но существуют компьютеры, принципиально отличающиеся от фон-неймановских. Для них, например, может не выполняться принцип программного управления, т.е. они могут работать без «счетчика команд», указывающего текущую выполняемую команду программы. Для обращения к какой-либо переменной, хранящейся в памяти, этим компьютерам не обязательно давать ей имя. Такие компьютеры называются не-фон-неймановскими.

Основными функциональными характеристиками персонального компьютера являются:

1. производительность, быстродействие, тактовая частота.
   Производительность современных ЭВМ измеряют обычно в миллионах операций в секунду;

2. разрядность микропроцессора и кодовых шин интерфейса. Разрядность – это максимальное количество разрядов двоичного числа, над которым одновременно может выполнятся машинная операция, в том числе и операция передачи информации; чем больше разрядность, тем, при прочих равных условиях, будет больше и производительность персонального компьютера;

3. типы системного и локальных интерфейсов. Разные виды интерфейсов обеспечивают разные скорости передачи информации между узлами машины, позволяют подключать разное количество внешних устройств и различные их виды;

4. емкость оперативной памяти. Емкость оперативной памяти измеряется обычно в Мбайтах. Многие современные прикладные программы с оперативной памятью, имеющие емкость меньше 16 Мбайт, просто не работают либо работают, но очень медленно;

1. емкость накопителя на жестких магнитных дисках (винчестера). Емкость винчестера измеряется обычно в Гбайтах.

2. тип и емкость накопителей на гибких магнитных дисках. Накопители на гибких магнитных дисках, использующие дискеты диаметром 3,5 дюйма, имеющие стандартную емкость 1,44 Мб (в настоящее время данный тип накопителей не находит широкого применения).

3. наличие, виды и емкость кэш-памяти. Кэш-память – это буферная, недоступная для пользователя быстродействующая память, автоматически используемая компьютером для ускорения операций с информацией, хранящейся в более медленно действующих запоминающих устройствах. Наличие кэш-памяти емкостью 256 Кбайт увеличивает производительность персонального компьютера примерно на 20%;

1. тип видеомониторов и видеоадаптера;

2. наличие и тип принтера;

1. наличие и тип накопителя на компакт дисках CD-ROM;

2. наличие и тип модема;

3. наличие и виды мультимедийных аудиовидеосредств;

4. имеющееся программное обеспечение и вид операционной системы;

5. аппаратная и программная совместимость с другими типами ЭВМ. Аппаратная и программная совместимость с другими типами ЭВМ означает возможность использования на компьютере, соответственно, тех же технических элементов и программного обеспечения, что и на других типах машин;

15) возможность работы в вычислительной сети;

1. возможность работы в многозадачном режиме. Многозадачный режим позволяет выполнять вычисления одновременно по нескольким программам (многопрограммный режим) или для нескольких пользователей (многопользовательский режим);

2. надежность. Надежность – это способность системы выполнять полностью и правильно все заданные ей функции.

1. стоимость;

2. габариты, вес и внешний вид системного блока.

Выполнение команд

Команда – это описание элементарной операции, которую должен выполнять компьютер.

В общем случае, команда содержит следующую информацию:

· код выполняемой операции;

· указания по определению операндов (или их адресов);

· указания по размещению получаемого результата.

В зависимости от количества операндов, команды бывают:

· одноадресные;

· двухадресные;

· трехадресные;

· переменноадресные.

Рис.5. Классификация команд.

Команды хранятся в ячейках памяти в двоичном коде. В современных компьютерах длина команд переменная (обычно от двух до четырех байтов), а способы указания адресов переменных весьма разнообразные. В адресной части команды может быть указан, например:

· сам операнд (число или символ);

· адрес операнда (номер байта, начиная с которого расположен операнд);

· адрес адреса операнда (номер байта, начиная с которого расположен
адрес операнда), и др.

Рассмотрим несколько возможных вариантов команды сложения (англ. add – сложение), при этом вместо цифровых кодов и адресов будем пользоваться условными обозначениями:

Как правило, этот процесс разбивается на следующие этапы:

· из ячейки памяти, адрес которой хранится в счетчике команд,
выбирается очередная команда; содержимое счетчика команд при этом
увеличивается на длину команды;

· выбранная команда передается в устройство управления на регистр команд;

· устройство управления расшифровывает адресное поле команды;

· по сигналам УУ операнды считываются из памяти и записываются в
АЛУ на специальные регистры операндов;

· УУ расшифровывает код операции и выдает в АЛУ сигнал выполнить соответствующую операцию над данными;

· результат операции либо остается в процессоре, либо отправляется в память, если в команде был указан адрес результата;

· все предыдущие этапы повторяются до достижения команды «стоп».

Архитектура и структура компьютера

При рассмотрении компьютерных устройств, принято различать их архитектуру и структуру.

Архитектурой компьютера называется его описание на некотором общем уровне, включающее описание пользовательских возможностей программирования, системы команд, системы адресации, организации памяти и т.д. Архитектура определяет принципы действия, информационные связи и взаимное соединение основных логических узлов компьютера: процессора, оперативно- запоминающих устройств, внешних запоминающих устройств и периферийных устройств. Общность архитектуры разных компьютеров обеспечивает их совместимость с точки зрения пользователя.

Рис.6. Архитектура компьютера.

Наиболее распространены архитектурные решения

А. Классическая архитектура (архитектура фон Неймана) – одно арифметико-логическое устройство (АЛУ), через которое проходит поток данных, и одно устройство управления (УУ), через которое проходит поток команд – программа. Это однопроцессорный компьютер. К этому типу архитектуры относится и архитектура персонального компьютера с общей шиной. Все функциональные блоки здесь связаны между собой общей шиной, называемой также системной магистралью.

Физически магистраль представляет собой многопроводную линию с гнездами для подключения электронных схем. Совокупность проводов магистрали разделяется на отдельные группы: шину адреса, шину данных и шину управления.

Рис. 7. Совокупность проводов магистрали.

Периферийные устройства (принтер и др.) подключаются к аппаратуре компьютера через специальные контроллеры – устройства управления периферийными устройствами.

Контроллер – устройство, которое связывает периферийное оборудование или каналы связи с центральным процессором, освобождая процессор от непосредственного управления функционированием данного оборудования.

Рис. 8. Структурная схема контроллера.

Б. Многопроцессорная архитектура. Наличие в компьютере нескольких процессоров означает, что параллельно может быть организовано много потоков данных и много потоков команд. Таким образом, параллельно могут выполняться несколько фрагментов одной задачи. Структура такой машины, имеющей общую оперативную память и несколько процессоров, представлена на рис. 9.

Рис. 9. Архитектура многопроцессорного компьютера

Конструктивно персональные компьютеры выполнены в виде центрального системного блока, к которому через специальные разъемы присоединяются другие устройства. В состав системного блока входят все основные узлы компьютера:

• системная плата;

• блок питания;

• накопитель на жестком магнитном диске;

• накопитель на гибком магнитном диске;

• накопитель на оптическом диске;

• разъемы для дополнительных устройств.

На системной (материнской) плате в свою очередь размещаются:

• микропроцессор;

• математический сопроцессор;

• генератор тактовых импульсов;

• микросхемы памяти;

• контроллеры внешних устройств;

• звуковая и видеокарты;

• таймер.

Рис.10. Системная плата.

Архитектура современных персональных компьютеров основана на магистрально-модульном принципе. Модульный принцип позволяет пользователю самому комплектовать нужную ему конфигурацию компьютера и производить при необходимости ее модернизацию. Модульная организация системы опирается на магистральный принцип обмена информацией. Все контроллеры устройств взаимодействуют с микропроцессором и оперативной памятью через системную магистраль передачи данных, называемую системной шиной. Системная шина выполняется в виде печатного мостика на материнской плате.

Микропроцессор — это центральный блок персонального компьютера, предназначенный для управления работой всех блоков машины и для выполнения арифметических и логических операций над информацией.

Системная шина является основной интерфейсной системой компьютера, обеспечивающей сопряжение и связь всех его устройств между собой. Системная шина обеспечивает три направления передачи информации:

• между микропроцессором и основной памятью;

• между микропроцессором и портами ввода-вывода

внешних устройств;

• между основной памятью и портами ввода-вывода внешних устройств.

Порты ввода-вывода всех устройств через соответствующие разъемы (слоты) подключаются к шине либо непосредственно, либо через специальные контроллеры (адаптеры).

Основная память предназначена для хранения и оперативного обмена информацией с прочими блоками компьютера.

Внешняя память используется для долговременного хранения информации, которая может быть в дальнейшем использована для решения задач. Генератор тактовых импульсов генерирует последовательность электрических символов, частота которых задает тактовую частоту компьютера. Промежуток времени между соседними импульсами определяет такт работы машины.

Источник питания — это блок, содержащий системы автономного и сетевого питания компьютера.

Таймер — это внутримашинные электронные часы, обеспечивающие автоматический съем текущего момента времени. Таймер подключается к автономному источнику питания и при отключении компьютера от сети продолжает работать.

Внешние устройства компьютера обеспечивают взаимодействие машины с окружающей средой: пользователями, объектами управления и другими компьютерами.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ

1. Назовите ученого, который сформулировал общие принципы построения компьютеров и они взяты за основу их построения?

2. С помощью какого устройства осуществляется выборка программы из памяти?

3. Процессор исполняет программу автоматически или оператор участвует в исполнении программы?

4. Назовите основные функциональные характеристики персонального компьютера?

5. Описание элементарной операции, которую должен выполнить компьютер называют…?

6. Дайте классификацию командам, которые зависят от количества операндов?

7. Чем отличаются понятия архитектура и структура компьютера?

8. Дайте определение контроллеру?

9. В чем сущность многопроцессорной архитектуры?

10. Аппаратная и программная совместимость с другими типами ЭВМ означает…?

11. Дайте назначение внешней памяти.

12. Дайте назначение таймеру компьютера.

13. Центральный блок персонального компьютера, предназначенный для управления работой всех блоков машины и для выполнения арифметических и логических операций над информацией, называется?

14. Перечислите три направления передачи информации, которые обеспечивает системная шина компьютера?

15. Дайте определение микропроцессору.

ИСПОЛЬЗОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА

1 . Горяев Ю.А. Информатика: Учебное

пособие. – М., МИЭМП, 2005. – с.116

1. http://alfa2omega.ru/load/referaty/inf/2141/47-1-0-2141

2. http://sovety.alshag.ru/wp-content/uploads/2013/03/comp1.jpg

3. http://www.osp.ru/pcworld/2012/02/13012796/

4. http://life-prog.ru/1_5835_obshchie-printsipi-organizatsii-i-raboti-kompyuterov.html

5. https://docviewer.yandex.ru/?url=ya-serp%3A%2F%2Farch.cs.msu.su%2FText%2FChapter_02.pdf&name=Chapter_02.pdf&c=55e9734df045

6. http://electro-manual.ru/images/stories/smm/smm-78.png

7. http://fullref.ru/files/162/b2824098f7bc959228ccb3f8a3545ebf.html_files/rId5.jpg

8. http://imcs.dvfu.ru/lib/eastprog/architecture.html

9. http://best-hardware.ru/images/c/8/41-lektsija-protsessy-i-potoki-niti_2.gif

10. http://www.yaklass.ru/materiali?mode=cht&chtid=458

11. http://www.ixbt.com/mainboard/biostar/biostar-tpower-x79.shtml

24