3. Лекция. Архитектура современных высокопроизводительных ЭВМ. Функциональная структура компьютера. Основные концепции функционирования. Программное обеспечение компьютера. Основы алгоритмизации.
Устройство ввода
Блок памяти
Арифметико-логическое устройство
Блок вывода
Блок управления
Основные концепции функционирования
Структура шины
Программное обеспечение
Этапы подготовки и решения задач на ЭВМ
Алгоритмы и способы их описания
Функциональная структура компьютера
Как следует из рис. 3.1, компьютер состоит из пяти главных, функционально независимых частей:
Устройство ввода,
Устройство памяти,
Арифметико-логическое устройство,
Устройство вывода и
Устройство управления.
Устройство ввода принимает через цифровые линии связи закодированную информацию от операторов, электромеханических устройств типа клавиатуры или от других компьютеров сети. Полученная информация либо сохраняется в памяти компьютера для последующего применения, либо немедленно используется арифметическими и логическими схемами для выполнения необходимых операций. Последовательность шагов обработки определяется хранящейся в памяти программой. Полученные результаты отправляются обратно, во внешний мир, посредством устройства вывода. Все эти действия координируются блоком управления. На рис. 3.1. намеренно не показаны связи между функциональными устройствами. Объясняется это тем, что такие связи могут быть по-разному реализованы. Как именно, вы поймете несколько позже. Арифметические и логические схемы в комплексе с главными управляющими схемами называют процессором, а все вместе взятое оборудование для ввода и вывода часто называют устройством ввода-вывода (input-output unit).
Теперь обратимся к обрабатываемой компьютером информации. Ее удобно разделять на две основные категории: команды и данные. Команды, или машинные команды, - это явно заданные инструкции, которые:
Управляют пересылкой информации внутри компьютера, а также между компьютером и его устройствами ввода-вывода;
Определяют подлежащие выполнению арифметические и логические операции.
Список команд, выполняющих некоторую задачу, называется программой. Обычно программы хранятся в памяти. Процессор по очереди извлекает команды программы из памяти и реализует определяемые ими операции. Компьютер полностью управляется хранимой программой , если не считать возможность внешнего вмешательства оператора и подсоединенных к машине устройств ввода-вывода.
Данные - это числа и закодированные символы, используемые в качестве операндов команд. Однако термин «данные» часто используется для обозначения любой цифровой информации. Согласно этому определению, сама программа (то есть список команд) также может считаться данными, если она обрабатывается другой программой. Примером обработки одной программой другой является компиляция исходной программы, написанной на языке высокого уровня, в список машинных команд, составляющих программу на машинном языке, которая называется объектной программой. Исходная программа поступает на вход компилятора, который транслирует ее в программу на машинном языке.
Рис. 3.1. Базовые функциональные устройства компьютера
Информация, предназначенная для обработки компьютером, должна быть закодирована, чтобы иметь подходящий для компьютера формат. Современное аппаратное обеспечение в большинстве своем основано на цифровых схемах, у которых имеется только два устойчивых состояния, ON и OFF (см. лекцию 2). В результате кодирования любое число, символ или команда преобразуется в строку двоичных цифр, называемых битами, каждый из которых имеет одно из двух возможных значений: 0 или 1. Для представления чисел (как станет ясно из лекции 4) обычно используется позиционная двоичная нотация. Иногда применяется двоично-десятичный формат (Binary-Coded Decimal, BCD), в соответствии с которым каждая десятичная цифра кодируется отдельно, с помощью четырех бит.
Буквы и цифры также представляются посредством двоичных кодов. Для них разработано несколько разных схем кодирования. Наиболее распространенными считаются схемы ASCII (American Standard Code for Information Interchange - американский стандартный код для обмена информацией), где каждый символ представлен 7-битовым кодом, и EBCDIC (Extended Binary Coded Decimal Interchange Code - расширенный двоично-десятичный код для обмена информацией), в котором для кодирования символа используется 8 бит.
3.1.1. Устройство ввода
Компьютер принимает кодированную информацию через устройство ввода, задачей которого является чтение данных. Наиболее распространенным устройством ввода является клавиатура. Когда пользователь нажимает клавишу, соответствующая буква или цифра автоматически преобразуется в определенный двоичный код и по кабелю пересылается либо в память, либо процессору.
Существует и ряд других устройств ввода, среди которых джойстики, трекболы и мыши. Они используются совместно с дисплеем в качестве графических входных устройств. Для ввода звука могут использоваться микрофоны. Воспринимаемые ими звуковые колебания измеряются и конвертируются в цифровые коды для хранения и обработки.
3.1.2. Блок памяти
Задачей блока памяти является хранение программ и данных. Существует два класса запоминающих устройств, а именно первичные и вторичные. Первичное запоминающее устройство (primary storage) - это память, быстродействие которой определяется скоростью работы электронных схем. Пока программа выполняется, она должна храниться в первичной памяти. Эта память состоит из большого количества полупроводниковых ячеек, каждая из которых может хранить один бит информации. Ячейки редко считываются по отдельности - обычно они обрабатываются группами фиксированного размера, называемыми словами. Память организована так, что содержимое одного слова, содержащего n бит, может записываться или считываться за одну базовую операцию.
Для облегчения доступа к словам в памяти с каждым словом связывается отдельный адрес. Адреса - это числа, идентифицирующие конкретные местоположения слов в памяти. Для того чтобы прочитать слово из памяти или записать его в таковую, необходимо указать его адрес и задать управляющую команду, которая начнет соответствующую операцию.
Количество битов в каждом слове часто называют длиной машинного слова. Обычно слово имеет длину от 16 до 64 бит. Одним из факторов, характеризующих класс компьютера, является емкость его памяти. Малые машины обычно могут хранить лишь несколько десятков миллионов слов, тогда как средние и большие машины обычно способны хранить сотни миллионов и миллиарды слов. Типичными единицами измерения количества обрабатываемых машиной данных являются слово, несколько слов или часть слова. Как правило, за время одного обращения к памяти считывается или записывается только одно слово.
Во время выполнения программа должна находиться в памяти. Команды и данные должны записываться в память и считываться из памяти под управлением процессора. Исключительно важна возможность предельно быстрого доступа к любому слову памяти. Память, к любой точке которой можно получить доступ за короткое и фиксированное время, называется памятью с произвольным доступом (Random-Access Memory, RAM). Время, необходимое для доступа к одному слову, называется временем доступа к памяти. Это время всегда одинаково, независимо от того, где располагается нужное слово. Время доступа к памяти в современных устройствах RAM составляет от нескольких наносекунд до 100. Память компьютера обычно представляет собой иерархическую структуру, состоящую из трех или четырех уровней полупроводниковых RAM-элементов с различной скоростью и разным размером. Наиболее быстродействующим типом RAM-памяти является кэш-память (или просто кэш). Она напрямую связана с процессором и часто находится на одном с ним интегрированном чипе, благодаря чему работа процессора значительно ускоряется. Память большей емкости, но менее быстрая, называется основной памятью (main memory). Далее в этой лекции процесс доступа к информации в памяти описывается подробнее, а позднее мы детально рассмотрим принципы ее функционирования и вопросы, связанные с производительностью.
Первичные запоминающие устройства являются исключительно важными компонентами для компьютера, но они довольно дороги. Поэтому компьютеры оборудуются дополнительными, более дешевыми вторичными запоминающими устройствами, используемыми для хранения больших объемов данных и большого количества программ. В настоящее время таких устройств имеется достаточно много. Но наиболее широкое распространение получили магнитные диски, магнитные ленты и оптические диски (CD-ROM).
3.1.3. Арифметико-логическое устройство
Большинство компьютерных операций выполняется в арифметико-логическом устройстве (АЛУ) процессора. Рассмотрим типичный пример. Предположим, нам нужно сложить два находящихся в памяти числа. Эти числа пересылаются в процессор, где АЛУ выполняет их сложение. Полученная сумма может быть записана в память или оставлена в процессоре для немедленного использования.
Любые другие арифметические или логические операции, в том числе умножение, деление и сравнение чисел, начинаются с пересылки этих чисел в процессор, где АЛУ должно выполнить соответствующую операцию. Когда операнды переносятся в процессор, они сохраняются в высокоскоростных элементах памяти, называемых регистрами. Каждый регистр может хранить одно слово данных. Время доступа к регистрам процессора даже меньше времени доступа к самой быстрой кэш-памяти.
Управляющее и арифметико-логическое устройства работают во много раз быстрее, чем все остальные устройства, подключенные к компьютерной системе. Это позволяет одному процессору контролировать множество внешних устройств, таких как клавиатуры, дисплеи, магнитные и оптические диски, сенсоры и механические управляющие устройства.
3.1.4. Блок вывода
Функция блока вывода противоположна функции блока ввода: он направляет результаты обработки в так называемый внешний мир. Типичным примером устройства вывода является принтер. Для печати в принтерах используются ударные механизмы, головки, выпрыскивающие струи чернил, или технологии фотокопирования, как в лазерных принтерах. Существуют принтеры, способные печатать до 10 000 строк в минуту. Для механического устройства это огромная скорость, но по сравнению с быстродействием процессора она ничтожно мала.
Некоторые устройства, и в частности графические дисплеи, выполняют одновременно и функцию вывода, и функцию ввода. Поэтому они называются устройствами ввода-вывода.
3.1.5. Блок управления
Устройства памяти, арифметики и логики, ввода и вывода хранят и обрабатывают информацию, а также выполняют операции ввода и вывода. Работу таких устройств нужно как-то координировать. Именно этим и занимается блок управления. Это, если можно так выразиться, нервный центр компьютера, передающий управляющие сигналы другим устройствам и отслеживающий их состояние.
Управление операциями ввода-вывода осуществляется командами программ, в которых идентифицируются соответствующие устройства ввода-вывода и пересылаемые данные. Однако реальные синхронизирующие сигналы (timing signals), управляющие пересылкой, генерируются управляющими схемами. Синхронизирующие сигналы - это сигналы, определяющие, когда должно быть выполнено данное действие. Кроме того, посредством синхронизирующих сигналов, генерируемых блоком управления, осуществляется передача данных между процессором и памятью. Блок управления можно представить себе как отдельное устройство, взаимодействующее с другими частями машины. Но на практике так бывает редко. Большая часть управляющих схем физически распределена по разным местам компьютера. Сигналы, используемые для синхронизации событий и действий всех устройств, передаются по множеству управляющих линий (проводов). В целом, функционирование компьютера можно описать следующим образом:
Компьютер с помощью блока ввода принимает информацию в виде программ и данных и записывает ее в память.
Хранящаяся в памяти информация под управлением программы пересылается в арифметико-логическое устройство для дальнейшей обработки.
Данные, полученные в результате обработки информации, направляются на устройства вывода.
За все действия, производимые внутри машины, отвечает блок управления.
Как было сказано в разделе 3.1, действиями компьютера управляют инструкции. Для выполнения конкретной задачи в память записывается соответствующая программа, состоящая из множества команд. Команды по очереди пересылаются из памяти в процессор, который их выполняет. Данные, используемые в качестве операндов команд, также хранятся в памяти. Вот пример типичной команды:
Эта команда складывает операнд, хранящийся в памяти по адресу LOCA, с операндом, хранящимся в регистре R0 процессора, и помещает результат в этот же регистр. Исходное содержимое памяти по адресу LOCA не меняется, а содержимое регистра R0 перезаписывается. Данная команда выполняется в несколько этапов. Сначала она пересылается из памяти в процессор. Затем операнд команды считывается из памяти по адресу LOCA и складывается с содержимым регистра R0, после чего результирующая сумма записывается в регистр R0.
В описанной команде Add объединяются две операции: доступ к памяти и операция АЛУ. Во многих современных компьютерах эти два типа операций выполняются с помощью отдельных команд. Такое разделение основывается на соображениях производительности, о которых мы поговорим ниже. Приведенная выше команда может быть реализована и в виде двух команд:
1) Load R3,LOCA для Intel Architecture (IA-32): mov bx,loca
Add R0,R3 add ax,bx
Первая из этих команд копирует содержимое памяти по адресу LOCA в регистр процессора R1, а вторая команда складывает содержимое регистров R1 и R0 и помещает сумму в регистр R0. Обратите внимание, что в результате выполнения двух команд исходное содержимое обоих регистров уничтожается, а содержимое памяти по адресу LOCA сохраняется.
Пересылка данных между памятью и процессором начинается с отправки в устройство памяти адреса слова, к которому требуется получить доступ, и выдачи соответствующих управляющих сигналов. Затем данные пересылаются в память или из памяти.
На рис. 3.2 показано, как соединяются между собой память и процессор. Кроме того, рисунок иллюстрирует несколько важных особенностей функционирования процессора, о которых мы с вами еще не говорили. На нем не показана реальная схема соединений этих компонентов, поскольку пока мы обсуждаем только их функциональные характеристики. Более детально соединение компонентов описывается в разделе 8 при рассмотрении конструкции процессора.
Кроме АЛУ и управляющих схем процессор содержит множество регистров, предназначенных для разных целей. В регистре команды (Instruction Register, IR) содержится код выполняемой в данный момент команды. Ее результат доступен управляющим схемам, которые генерируют сигналы для управления различными элементами, участвующими в выполнении команды. Еще один специализированный регистр, называемый счетчиком команд (Program Counter, PC), служит для контроля за ходом выполнения программы. В нем содержится адрес следующей команды, подлежащей выборке и выполнению. Пока выполняется очередная команда, содержимое регистра PC обновляется - в него записывается адрес следующей команды. Говорят, что регистр PC указывает на команду, которая должна быть выбрана из памяти. Кроме регистров IR и PC на рис. 3.2 показано n регистров общего назначения, от R0 до R„-i. Для чего они нужны, объясняется в главе 2.
Наконец, еще два регистра обеспечивают взаимодействие с памятью. Это регистр адреса (Memory Address Register, MAR) и регистр данных (Memory Data Register, MDR). В регистре MAR содержится адрес, по которому производится обращение к памяти, а в регистре MDR - данные, которые должны быть записаны в память или прочитаны из таковой по этому адресу.
Рассмотрим типичный процесс выполнения программы компьютером. Программа располагается в памяти, куда обычно попадает через входное устройство. Ее выполнение начинается с записи в регистр PC адреса первой команды. Содержимое этого регистра пересылается в регистр MAR, а в память направляется управляющий сигнал Read. Когда истекает время, необходимое для доступа к памяти, адресуемое слово (в данном случае - первая команда программы) считывается из памяти и загружается в регистр MDR. Затем содержимое регистра MDR пересылается в регистр IR. Команда готова к декодированию и выполнению.
Если команда требует, чтобы АЛУ выполнило определенную операцию, для нее необходимо получить операнды. Операнд, располагающийся в памяти (он может находиться и в регистре общего назначения), нужно сначала из таковой извлечь, переслав его адрес в регистр MAR и инициализировав цикл Read. После пересылки из памяти в регистр MDR операнд будет направлен в АЛУ. Аналогичным образом туда же будут переданы и остальные необходимые команде операнды, после чего АЛУ сможет выполнить требуемую операцию. Если результат должен быть сохранен в памяти, он будет записан в регистр MDR. Затем адрес, по которому его нужно записать в память, будет помещен в регистр MAR, после чего будет инициирован цикл Write. В какой-то момент в ходе выполнения текущей инструкции содержимое регистра PC увеличивается, и он начинает указывать на следующую подлежащую выполнению инструкцию. Другими словами, как только завершится выполнение текущей инструкции, можно будет приступать к выборке следующей.
Рис. 3.2. Соединения между процессором и памятью
Компьютер не только пересылает данные между памятью и процессором, но и принимает их от входных устройств, а также отсылает выходным устройствам. Поэтому среди машинных команд имеются и команды для выполнения операций ввода-вывода.
Если возникает необходимость срочно обслужить некоторое устройство (например, когда устройство мониторинга в автоматизированном промышленном процессе обнаружит опасную ситуацию), нормальное выполнение программы может быть прервано. Для того чтобы немедленно отреагировать на эту ситуацию, компьютер должен прервать выполнение текущей программы. С этой целью устройство генерирует сигнал прерывания. Прерывание (interrupt) - это запрос, поступающий от устройства ввода-вывода, с требованием предоставить ему процессорное время. Для обслуживания этого устройства процессор выполняет соответствующую программу обработки прерывания. А поскольку ее выполнение может изменить внутреннее состояние процессора, перед обслуживанием прерывания нужно сохранить его состояние в памяти. Обычно в ходе этой операции сохраняется содержимое регистра PC, регистров общего назначения и некоторая управляющая информация. По завершении работы программы обработки прерывания состояние процессора восстанавливается и прерванная программа продолжает свою работу. Процессор со всеми его элементами (рис. 3.2) обычно реализуется в виде одной микросхемы, на которой располагается как минимум одно устройство кэш-памяти. Такие чипы называются VLSI (VLSI - аббревиатура от Very Large Scale Integration, что переводится как очень крупномасштабная интеграция).
Слово «компьютер» означает «вычислитель», т.е. устройство для вычислений. Потребность в автоматизации обработки данных, в том числе вычислений, возникла очень давно. Многие тысячи лет назад для счета использовались счетные палочки, камешки и. т.д. Более 1500 лет тому назад (а может быть и значительно раньше) для облегчения стали использовать счеты.
Таким образом, попытки автоматизировать вычислительные процессы предпринимались на всех этапах развития человеческой цивилизации.
VI в. до н. э. — Пифагор ввел понятие числа как основу всего сущего на земле.
V в. до н. э. — остров Саламин — первый прибор для счета «абак».
IV в. до н. э. — Аристотель разработал дедуктивную логику.
III в. до н. э. — Диофант Александрийский написал «Арифметику» в 13 книгах.
IX в. — Аль-Хорезми обобщил достижение арабской математики и ввел понятие алгебры.
XV в. — Леонардо да Винчи разработал проект счетной машины для выполнения действий над 12- разрядными числами.
XVI в. — изобретены русские счеты с 10-чной системой счисления.
XVII в. — Англия — логарифмические линейки.
Начало развития технологий вычислительной техники принято считать с Блеза Паскаля, который в 1642г. изобрел устройство, механически выполняющее сложение чисел.
Следующего этапного результата добился выдающийся немецкий математик и философ Готфрид Вильгельм Лейбниц, высказавший в 1672 году идею механического умножения без последовательного сложения. Уже через год он представил машину, которая позволяла механически выполнять четыре арифметических действия, в Парижскую академию. Машина Лейбница требовала для установки специального стола, так как имела внушительные размеры: 100
´
30
´
20 сантиметров.
В 1812 году английский математик Чарльз Бэббидж начал работать над так называемой разностной машиной, которая должна была вычислять любые функции, в том числе и тригонометрические, а также составлять таблицы.
Уроженец Эльзаса Карл Томас, основатель и директор двух парижских страховых обществ в 1818 году сконструировал счетную машину, уделив основное внимание технологичности механизма, и назвал ее арифмометром.
В первые десятилетия XX века конструкторы обратили внимание на возможность применения в счетных устройствах новых элементов – электромагнитных реле. В 1941 году немецкий инженер Конрад Цузе, построил вычислительное устройство, работающее на таких реле.
Почти одновременно, в 1943 году, американец Говард Эйкен с помощью работ Бэббиджа на основе техники XX века – электромеханических реле – смог построить на одном из предприятий фирмы IBM легендарный гарвардский «Марк-1» (а позднее еще и «Марк-2»). «Марк-1» имел в длину 15 метров и в высоту 2,5 метра, содержал 800 тысяч деталей, располагал 60 регистрами для констант, 72 запоминающими регистрами для сложения, центральным блоком умножения и деления, мог вычислять элементарные трансцендентные функции. Машина работала с 23-значными десятичными числами и выполняла операции сложения за 0,3 секунды, а умножения – за 3 секунды.
Работа по созданию первой электронновычислительной машины была начата, по-видимому, в 1937 году в США профессором Джоном Атанасовым, болгарином по происхождению. Эта машина была специализированной и предназначалась для решения задач математической физики. В ходе разработок Атанасов создал и запатентовал первые электронные устройства, которые впоследствии применялись довольно широко в первых компьютерах. Полностью проект Атанасова не был завершен, однако через три десятка лет в результате судебного разбирательства профессора признали родоначальником электронной вычислительной техники.
Начиная с 1943 года группа специалистов под руководством Говарда Эйкена, Дж. Моучли и П. Эккерта в США начала конструировать вычислительную машину на основе электронных ламп, а не на электромагнитных реле. Эта машина была названа ENIAC (Electronic Numeral Integrator And Computer) и работала она в тысячу раз быстрее, чем «Марк-1». ENIAC содержал 18 тысяч вакуумных ламп, занимал площадь 9
´
15 метров, весил 30 тонн и потреблял мощность 150 киловатт.
В 1945 году к работе над созданием ЭВМ был привлечен знаменитый математик Джон фон Нейман, который подготовил доклад об этой машине. В этом докладе фон Нейман ясно и просто сформулировал общие принципы функционирования универсальных вычислительных устройств, т.е. компьютеров. Это первая действующая машина, построенная на вакуумных лампах, официально была введена в эксплуатацию 15 февраля 1946 года. Эту машину пытались использовать для решения некоторых задач, подготовленных фон Нейманом и связанных с проектом атомной бомбы. Затем она была перевезена на Абердинский полигон, где работала до 1955 года.
ENIAC стал первым представителем 1-го поколения компьютеров. Любая классификация условна, но большинство специалистов согласилось с тем, что различать поколения следует исходя из той элементной базы, на основе которой строятся машины. Таким образом, первое поколение представляется ламповыми машинами.
Устройство и работа компьютера по «принципу фон Неймана». Отметим важнейшие из них:
клавиатуру для ввода цифро-буквенной информации и команд.
Для удобства управления и используются также манипуляторы типа «мышь» и «джойстик» (последний, в основном для игр).
Из этих частей компьютера системный блок выглядит наименее эффектно, именно он является в нем «главным» В нем располагаются все основные узлы компьютера:
электронные схемы, управляющие работой компьютера (микропроцессор, оперативная память, контроллеры устройств и т.д.);
блок питания, который преобразует электропитание сети в постоянный ток низкого напряжения, подаваемый на электронные схемы компьютера;
накопители (или дисководы) для гибких магнитных дисков, используемые для чтения и записи на гибкие магнитные диски (дискеты);
накопитель на жестком магнитном диске, предназначенный для чтения и записи на несъемный жесткий магнитный диск (винчестер);
другие устройства.
Рис. 4. Виды системных блоков
Сердцем компьютера, несомненно, является центральный процессор, расположенный на системной плате внутри системного блока. Он представляет собой сверхбольшую интегральную микросхему, состоящую внутри из миллионов транзисторов. Процессор способен выполнять большое количество внешних команд и обрабатывать поступающую в виде электрических сигналов информацию. Для ускорения математических расчетов используется еще одна микросхема – математический сопроцессор, который очень существенно увеличивает скорость выполнения математических операций (вычисление синусов, косинусов, логарифмов и т.д.).
Рис. 5. Системный блок со снятой крышкой корпуса
Скорость процессора определяется его структурой (схемными решениями), а также внешней тактовой частотой, которая формируется генератором импульсов на системной плате. Системная (материнская) плата – основная плата компьютера, на которой располагаются микропроцессор, ОЗУ, кэш-память, шины, контроллеры.
Для хранения выполняемых программ и исходных данных, для обработки и записи промежуточных и окончательных результатов компьютер имеется оперативная динамическая память (ОЗУ).Именно из нее процессор берет программы и исходные данные для обработки. Название «оперативная» эта память получила потому, что она работает очень быстро, так что процессору практически не приходится ждать при чтении данных из памяти или записи в память При выключении компьютера, перезагрузке, случайных сбоях по питанию все содержимое оперативной памяти стирается. Следовательно, при наборе каких-либо данных, текстов и т.д. надо периодически записывать промежуточные данные на жесткий диск или дискету.
Для ускорения доступа к ОЗУ в современных быстродействующих компьютерах применяется специальная «сверхбыстрая» статическая память, которая называется кэш-памятью и является как бы буфером между очень быстрым процессором и более медленной оперативной памятью.
Для связи процессора и оперативной памяти с внешними устройствами: клавиатурой, монитором, дисководами и др. используются специальные электронные схемы или платы. При этом обмен информацией между оперативной памятью и устройствами (т.е. ввод-вывод) не происходит непосредственно: между любым устройством и оперативной памятью имеются два промежуточных звена:
1. Для каждого устройства имеется своя электронная схема, которая им управляет. Эта схема называется контролером, или адаптером. Некоторые контроллеры (например, контроллер дисков) могут управлять сразу несколькими устройствами)
2. Все контроллеры (адаптеры) взаимодействуют с микропроцессором и оперативной памятью через системную магистраль передачи данных (шину) Сейчас большинство выпускаемых компьютеров оснащаются шинами РСI и ISA.
Одним из контролеров, которые присутствуют почти каждом компьютере является контролер портов ввода-вывода, которые бывают следующих типов: параллельные, последовательные, игровые.
Важным элементом компьютера является видеоадаптер (или видеокарта) которая служит для формирования видеосигналов, отображающих информацию на экране монитора. Видеоплата получает от микропроцессора команды по формированию изображения, конструирует это изображение в своей служебной памяти – видеопамяти, и одновременно преобразует содержимое видеопамяти в сигнал, подаваемый на монитор – видеосигнал
Монитор (дисплей) компьютера предназначен для вывода на экран текстовой и графической информации.Современным типом мониторов и соответственно видеоплаты является SVGA.
Для постоянного хранения информации, необходимой во время работы с компьютером используются накопители на жестком диске – винчестеры. На них обычно хранятся программы и файлы операционной системы, различные пакеты программ, редакторы документов, компьютерные игры и многое другое. Также в состав системного блока могут входить: накопители (на лазерных дисках – CD-ROM; внутренний на магнитной ленте– стриммер); звуковая плата для воспроизведения различных звуковых эффектов; внутренний факс-модем; сетевые платы.
Практически каждый компьютер имеет хотя бы один флоппи-дисковод для дискет, которые позволяют переносить документы и программы с одного компьютера на другой. С дискет возможна загрузка операционной системы и различных программ.
Для питания всех ходящих в системный блок устройств имеется мощный импульсный блок питания.
Для того чтобы все электронные и механические устройства могли должным образом взаимодействовать между собой, они должны управляться специальными программами. Программы для внутреннего тестирования монитора (POST – процедура, Power-On-Self-Test), инициализации видеоадаптера и загрузки операционной системы с диска, а также программы выполнения базовых функций по управлению устройствами ввода-вывода хранятся на системной плате в специальной микросхеме – постоянном запоминающем устройстве.
Совокупность этих микропрограмм называется.(BIOS или базовая система ввода-вывода). Для изменения и запоминания параметров конфигурации компьютера в BIOS есть специальная программа настройки конфигурации –SETUP. Сами параметры запоминаются в отдельной микросхеме CMOS-памяти, которая питается от специальной батарейки на системной плате.
Для работы со многими современными программами практически обязательным является использование мыши или иного заменяющего ее устройства, т.е. указательные устройства, так как позволяют указывать на те или иные элементы на экране компьютера.
Мышь – это манипулятор, представляющий небольшую коробочку с несколькими кнопками, легко уменьшающуюся в ладони. При перемещении мыши по поверхности на экране монитора соответственным образом передвигается указатель мыши (обычно– стрелка). Когда необходимо выполнить то или иное действие пользователь нажимает ту или иную кнопку мыши.
2014-05-25
Носситер Дж. Microsoft Exel 2002 –М.: Диалектика, 2003.Организация и использование корпоративных систем ОРГАНИЗАЦИЯ И ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ WEB-САЙТОВ
машины на электронных элементах должны работать не в десятичной, а в двоичной системе счисления;
программа, как и исходные данные, должна размещаться в памяти машины;
программа, как и числа, должна записываться в двоичном коде;
трудности физической реализации запоминающего устройства, быстродействие которого соответствует скорости работы логических схем, требуют иерархической организации памяти (то есть выделения оперативной, промежуточной и долговременной памяти);
арифметическое устройство (процессор) конструируется на основе схем, выполняющих операцию сложения; создание специальных устройств для выполнения других арифметических и иных операций нецелесообразно;
в машине используется параллельный принцип организации вычислительного процесса (операции над числами производятся одновременно по всем разрядам).
Первый компьютер, в котором были воплощены принципы фон Неймана, был построен в 1949 году английским исследователем Морисом Уилксом. С той поры компьютеры стали гораздо более мощными, но подавляющее большинство из них сделано в соответствии с теми принципами, которые изложил в своем докладе в 1945 года Джон фон Нейман.
Новые машины первого поколения сменяли друг друга довольно быстро. В 1951 году заработала первая советская электронная вычислительная машина МЭСМ, площадью около 50 квадратных метров.
В 1952 году на свет появилась американская машина EDWAC.
В 1952 году советские конструкторы ввели в эксплуатацию БЭСМ – самую быстродействующую машину в Европе, а в следующем году в СССР начала работать «Стрела» – первая в Европе серийная машина высокого класса. Среди создателей отечественных машин в первую очередь следует назвать имена С.А. Лебедева, Б.Я. Базилевского, И.С. Брука, Б.И. Рамеева, В.А. Мельникова, М.А. Карцева, А.Н. Мямлина. В 50-х годах появились и другие ЭВМ: «Урал», М-2, М-3, БЭСМ2, «Минск1», – которые воплощали в себе все более прогрессивные инженерные решения.
Проекты и реализация машин «Марк–1», EDSAC и EDVAC в Англии и США, МЭСМ в СССР заложили основу для развёртывания работ по созданию ЭВМ вакуумноламповой технологии – серийных ЭВМ первого поколения. Разработка первой электронной серийной машины UNIVAC (Universal Automatic Computer) была начата примерно в 1947 г. Эккертом и Маучли. Первый образец машины (UNIVAC-1) был построен для бюро переписи США и пущен в эксплуатацию весной 1951 г. Синхронная, последовательного действия вычислительная машина UNIVAC-1 создана на базе ЭВМ ENIAC и EDVAC. Работала она с тактовой частотой 2,25 МГц и содержала около 5000 электронных ламп.
По сравнению с США, СССР и Англией развитие электронной вычислительной техники в Японии, ФРГ и Италии задержалось. Первая японская машина «Фуджик» была введена в эксплуатацию в 1956 году, серийное производство ЭВМ в ФРГ началось лишь в 1958 году.
Элементной базой второго поколения стали полупроводники. Без сомнения, транзисторы можно считать одним из наиболее впечатляющих чудес XX века.
Патент на открытие транзистора был выдан в 1948 году американцам Д. Бардину и У.Браттейну, а через восемь лет они вместе с теоретиком В. Шокли стали лауреатами Нобелевской премии..
Первая бортовая ЭВМ для установки на межконтинентальной ракете – «Атлас» – была введена в эксплуатацию в США в 1955 году. В машине использовалось 20 тысяч транзисторов и диодов, она потребляла 4 киловатта.
В 1956 г. фирмой IBM были разработаны плавающие магнитные головки на воздушной подушке. Изобретение их позволило создать новый тип памяти – дисковые запоминающие устройства, значимость которых была в полной мере оценена в последующие десятилетия развития вычислительной техники. Первые запоминающие устройства на дисках появились в машинах IBM-305 и RAMAC.
Первые серийные универсальные ЭВМ на транзисторах были выпущены в 1958 году одновременно в США, ФРГ и Японии.
В Советском Союзе первые безламповые машины «Сетунь», «Раздан» и «Раздан2» были созданы в 19591961 годах. В 60-х годах советские конструкторы разработали около 30 моделей транзисторных компьютеров, большинство которых стали выпускаться серийно. Наиболее мощный из них – «Минск32» выполнял 65 тысяч операций в секунду. Появились целые семейства машин: «Урал», «Минск», БЭСМ.
Рекордсменом среди ЭВМ второго поколения стала БЭСМ6, имевшая быстродействие около миллиона операций в секунду – одна из самых производительных в мире. Архитектура и многие технические решения в этом компьютере были настолько прогрессивными и опережающими свое время, что он успешно использовался почти до нашего времени.
Специально для автоматизации инженерных расчетов в Институте кибернетики Академии наук УССР под руководством академика В.М. Глушкова были разработаны компьютеры МИР (1966) и МИР-2 (1969). Важной особенностью машины МИР-2 явилось использование телевизионного экрана для визуального контроля информации и светового пера, с помощью которого можно было корректировать данные прямо на экране.
Приоритет в изобретении интегральных схем, ставших элементной базой ЭВМ третьего поколения, принадлежит американским ученым Д. Килби и Р. Нойсу, сделавшим это открытие независимо друг от друга. Массовый выпуск интегральных схем начался в 1962 году, а в 1964 начал быстро осуществляться переход от дискретных элементов к интегральным. Упоминавшийся выше ЭНИАК размерами 9
´
15 метров в 1971 году мог бы быть собран на пластине в 1,5 квадратных сантиметра. Началось перевоплощение электроники в микроэлектронику.
Несмотря на успехи интегральной техники и появление мини-ЭВМ, в 60-х годах продолжали доминировать большие машины. Таким образом, третье поколение компьютеров, зарождаясь внутри второго, постепенно вырастало из него.
Первая массовая серия машин на интегральных элементах стала выпускаться в 1964 году фирмой IBM. Эта серия, известная под названием IBM-360, оказала значительное влияние на развитие вычислительной техники второй половины 60-х годов. Она объединила целое семейство ЭВМ с широким диапазоном производительности, причем совместимых друг с другом. Последнее означало, что машины стало возможно связывать в комплексы, а также без всяких переделок переносить программы, написанные для одной ЭВМ, на любую другую из этой серии. Таким образом, впервые было выявлено коммерчески выгодное требование стандартизации аппаратного и программного обеспечения ЭВМ.
Со второй половины 60-х годов Советский Союз совместно со странами СЭВ приступил к разработке семейства универсальных машин, аналогичного системе ibm-360. В 1972 году началось серийное производство стартовой, наименее мощной модели Единой Системы – ЭВМ ЕС-1010, а еще через год – пяти других моделей. Их быстродействие находилась в пределах от десяти тысяч (ЕС-1010) до двух миллионов (ЕС-1060) операций в секунду.
В рамках третьего поколения в США была построена уникальная машина «ИЛЛИАК-4», в составе которой в первоначальном варианте планировалось использовать 256 устройств обработки данных, выполненных на монолитных интегральных схемах.
Начало 70-х годов знаменует переход к компьютерам четвертого поколения – на сверхбольших интегральных схемах (СБИС). Другим признаком ЭВМ нового поколения являются резкие изменения в архитектуре.
Техника четвертого поколения породила качественно новый элемент ЭВМ – микропроцессор. В 1971 году пришли к идее ограничить возможности процессора, заложив в него небольшой набор операций, микропрограммы которых должны быть заранее введены в постоянную память.
Из больших компьютеров четвертого поколения на сверхбольших интегральных схемах особенно выделялись американские машины «Крей-1» и «Крей-2», а также советские модели «Эльбрус-1» и «Эльбрус-2». Первые их образцы появились примерно в одно и то же время – в 1976 году. Все они относятся к категории суперкомпьютеров, так как имеют предельно достижимые для своего времени характеристики и очень высокую стоимость.
В машинах четвертого поколения сделан отход от архитектуры фон Неймана, которая была ведущим признаком подавляющего большинства всех предыдущих компьютеров.
Хотя и персональные компьютеры относятся к ЭВМ 4-го поколения, все же возможность их широкого распространения, несмотря на достижения технологии СБИС, оставалась бы весьма небольшой.
В 1970 году был сделан важный шаг на пути к персональному компьютеру – Маршиан Эдвард Хофф из фирмы Intеl сконструировал интегральную схему, аналогичную по своим функциям центральному процессору большого компьютера. Так появился первый микропроцессор Intеl 4004, который был выпущен в продажу в 1971 г. Это был настоящий прорыв, ибо микропроцессор Intеl 4004 размером менее 3 см был производительнее гигантских машин 1-го поколения. Правда, возможности Intе1 4004 были куда скромнее, чем у центрального процессора больших компьютеров того времени, – он работал гораздо медленнее и мог обрабатывать одновременно только 4 бита информации (процессоры больших компьютеров обрабатывали 16 или 32 бита одновременно), но и стоил он в десятки тысяч раз дешевле. Но рост производительности микропроцессоров не заставил себя ждать.
Первый массовым персональным компьютером был «Altair-8800», созданный в 1974 году небольшой компанией в Альбукерке (штат Нью-Мексико).
В 1981 году появилась первая версия операционной системы для компьютера IBM РС – MS DOS 1.0. В дальнейшем по мере совершенствования компьютеров IВМ РС выпускались и новые версии DOS, учитывающие новые возможности компьютеров и предоставляющие дополнительные удобства пользователю.
В августе 1981 г. новый компьютер под названием «IВМ Personal Computer» был официально представлен публике и вскоре после этого он приобрел большую популярность у пользователей. IBM PC имел 64 Кб оперативной памяти, магнитофон для загрузки/сохранения программ и данных, дисковод и встроенную версию языка BASIС.
Через один – два года компьютер IВМ РС занял ведущее место на рынке, вытеснив модели 8-битовых компьютеров.
Новое поколение микропроцессоров идет на смену предыдущему каждые два года и морально устаревает за 3 – 4 года. Микропроцессор вместе с другими устройствами микроэлектроники позволяют создать довольно экономичные информационные системы.
8 ноября 1993 – выпуск Windows for Workgrounds 3.11. В ней обеспечена более полная совместимость с NetWare и Windows NT; кроме того, в архитектуру ОС внесены многие изменения, направленные на повышение производительности и стабильности и позднее нашедшее применения в Windows 95. Продукт был гораздо более доброжелательно встречен корпоративной Америкой.
В 1993 году появились первые процессоры Pentium с частотой 60 и 66 МГц – это были 32-разрядные процессоры с 64-битной шиной данных.
С того времени эвм развивается огромными темпами. Частота работы процессов уже достигла 3,5 ГГц, а емкость озу порядка 8 Гб.
2.
2.1. Понятие и общая характеристика функциональной структуры компьютера
Разнообразие современных компьютеров очень велико. Но их структуры основаны на общих логических принципах, позволяющих выделить в любом компьютере следующие главные устройства:
память (запоминающее устройство, ЗУ), состоящую из перенумерованных ячеек;
процессор, включающий в себя устройство управления (УУ) и арифметико-логическое устройство (АЛУ);
устройство ввода;
устройство вывода.
Эти устройства соединены каналами связи, по которым передается информация.
Рис. 1. Общая схема компьютера
Функции памяти:
приём информации из других устройств;
запоминание информации;
– выдача информации по запросу в другие устройства машины.
Функции процессора:
обработка данных по заданной программе путем выполнения арифметических и логических операций;
программное управление работой устройств компьютера.
Та часть процессора, которая выполняет команды, называется арифметико-логическим устройством (АЛУ), а другая его часть, выполняющая функции управления устройствами, называется устройством управления (УУ).
Обычно эти два устройства выделяются чисто условно, конструктивно они не разделены.
В составе процессора имеется ряд специализированных дополнительных ячеек памяти, называемых регистрами.
Регистр выполняет функцию кратковременного хранения числа или команды.
Первым человеком сформулировавшим основные принципы функционирования универсальных вычислительных устройств, т.е. компьютеров, был знаменитый математик Джон фон Нейман.
Прежде всего, современный компьютер должен иметь следующие устройства:
арифметическо-логическое устройство, выполняющее арифметические и логические операции;
устройства управления, которое организует процесс выполнения программ;
запоминающее устройство, или память для хранения программ и данных;
внешние устройства для ввода-вывода информации .
В общих чертах принцип работы компьютера можно описать следующим образом.
Вначале с помощью какого-либо внешнего устройства в память компьютера вводится программа. Устройство управления считывает содержимое ячейки памяти, где находится первая инструкция (команд) программы, и организует ее выполнение. Эта команда может задавать выполнение арифметических или логических операций, чтение из памяти данных для выполнения арифметических или логических операций или запись их результатов в память, ввод данных из внешнего устройства в память или вывод данных из памяти на внешнее устройство
Как правило, после выполнения одной команды устройство управления начинает выполнять команду из ячейки памяти, которая находится непосредственно за только что выполненной командой. Однако этот порядок может быть изменен с помощью команд передачи управления (перехода). Эти команды указывают устройству управления, что ему следует продолжить выполнение программы, начиная с команды, содержащейся в некоторой другой ячейке памяти. Такой «скачок», или переход, в программе может выполняться не всегда, а только при выполнении некоторых условий, например, если некоторые числа равны, если в результате предыдущей арифметической операции получился нуль и т.д. Это позволяет использовать одни и те же последовательности команд в программе много раз (т.е. организовывать циклы), выполнять различные последовательности команд в зависимости от выполнения определенных условий и т.д., т.е. создавать сложные программы.
Таким образом, управляющее устройство выполняет инструкции программы автоматически, т.е. вмешательства человека. Оно может обмениваться информацией с оперативной памятью и внешними устройствами компьютера. Поскольку внешние устройства, как правило работают значительно медленнее, чем остальные части компьютера, управляющее устройство может приостанавливать выполнение программы до завершения операции ввода-вывода с внешним устройством. Все результаты выполненной программы должны быть ею выведены на внешние устройства компьютера, после чего компьютер переходит к ожиданию каких-либо сигналов внешних устройств.
В современных компьютерах арифметическо-логическое устройство и устройство управления объединены в единое устройство-центральный процессор. Кроме того, процесс выполнения программ может прерываться для выполнения неотложных действий, связанных с поступившими сигналами от внешних устройств компьютера–прерываний.
Многие быстродействующие компьютеры осуществляют параллельную обработку данных на нескольких процессорах.
Тем не менее, большинство современных компьютеров в основных чертах соответствуют принципам, изложенным фон Нейманом.
2.2. Структурная организация
Рассмотрим устройство компьютера на примере самой распространенной компьютерной системы - персонального компьютера.
Персональные компьютеры обычно проектируются на основе принципа открытой архитектуры.
Принцип открытой архитектуры заключается в следующем:
регламентируются и стандартизируются только описание принципа действия компьютера и его конфигурация (определенная совокупность аппаратных средств и соединений между ними). Таким образом, компьютер можно собирать из отдельных узлов и деталей, разработанных и изготовленных независимыми фирмами-изготовителями;
компьютер легко расширяется и модернизируется за счёт наличия внутренних расширительных гнёзд, в которые пользователь может вставлять разнообразные устройства, удовлетворяющие заданному стандарту, и тем самым устанавливать конфигурацию своей машины в соответствии со своими личными предпочтениями
.
Рис. 2 Общая структура персонального компьютера с подсоединенными периферийными устройствами
Для того, чтобы соединить друг с другом различные устройства компьютера, они должны иметь одинаковый интерфейс (англ. interface от inter - между, и face - лицо).
Интерфейс - это средство сопряжения двух устройств, в котором все физические и логические параметры согласуются между собой.
Если интерфейс является общепринятым, например, утверждённым на уровне международных соглашений, то он называется стандартным.
Каждый из функциональных элементов (память, монитор или другое устройство) связан с шиной определённого типа - адресной, управляющей или шиной данных.
Рис. 3. Схема подключения интерфейсов периферийных устройств
Портами также называют устройства стандартного интерфейса: последовательный, параллельный и игровой порты (или интерфейсы).
Последовательный порт обменивается данными с процессором побайтно, а с внешними устройствами - побитно. Параллельный порт получает и посылает данные побайтно.
К последовательному порту обычно подсоединяют медленно действующие или достаточно удалённые устройства, такие, как мышь и модем. К параллельному порту подсоединяют более «быстрые» устройства - принтер и сканер. Через игровой порт подсоединяется джойстик. Клавиатура и монитор подключаются к своим специализированным портам, которые представляют собой просто разъёмы.
Основные электронные компоненты, определяющие архитектуру процессора, размещаются на основной плате компьютера, которая называется системной или материнской (MotherBoard). А контроллеры и адаптеры дополнительных устройств, либо сами эти устройства, выполняются в виде плат расширения (DаughterBoard - дочерняя плата) и подключаются к шине с помощью разъёмов расширения, называемых также слотами расширения (англ. slot - щель, паз).
2.3. Основные блоки компьютера
Любой компьютер, как правило, включает в себя три основных узла (блока):
системный блок;
Монитор (дисплей) для отображения информации;
Лекция. Архитектура современных высокопроизводительных ЭВМ. Функциональная структура компьютера. Основные концепции функционирования. Программное обеспечение компьютера. Основы алгоритмизации.
Устройство ввода
Блок памяти
Арифметико-логическое устройство
Блок вывода
Блок управления
Основные концепции функционирования
Структура шины
Программное обеспечение
Этапы подготовки и решения задач на ЭВМ
Алгоритмы и способы их описания
Функциональная структура компьютера
Как следует из рис. 3.1, компьютер состоит из пяти главных, функционально независимых частей:
устройство ввода,
устройство памяти,
арифметико-логическое устройство,
устройство вывода и
устройство управления.
Устройство ввода принимает через цифровые линии связи закодированную информацию от операторов, электромеханических устройств типа клавиатуры или от других компьютеров сети. Полученная информация либо сохраняется в памяти компьютера для последующего применения, либо немедленно используется арифметическими и логическими схемами для выполнения необходимых операций. Последовательность шагов обработки определяется хранящейся в памяти программой. Полученные результаты отправляются обратно, во внешний мир, посредством устройства вывода. Все эти действия координируются блоком управления. На рис. 3.1. намеренно не показаны связи между функциональными устройствами. Объясняется это тем, что такие связи могут быть по-разному реализованы. Как именно, вы поймете несколько позже. Арифметические и логические схемы в комплексе с главными управляющими схемами называют процессором, а все вместе взятое оборудование для ввода и вывода часто называют устройством ввода-вывода (input-output unit).
Теперь обратимся к обрабатываемой компьютером информации. Ее удобно разделять на две основные категории: команды и данные. Команды, или машинные команды, - это явно заданные инструкции, которые:
Управляют пересылкой информации внутри компьютера, а также между компьютером и его устройствами ввода-вывода;
Определяют подлежащие выполнению арифметические и логические операции.
Список команд, выполняющих некоторую задачу, называется программой. Обычно программы хранятся в памяти. Процессор по очереди извлекает команды программы из памяти и реализует определяемые ими операции. Компьютер полностью управляется хранимой программой , если не считать возможность внешнего вмешательства оператора и подсоединенных к машине устройств ввода-вывода.
Данные - это числа и закодированные символы, используемые в качестве операндов команд. Однако термин «данные» часто используется для обозначения любой цифровой информации. Согласно этому определению, сама программа (то есть список команд) также может считаться данными, если она обрабатывается другой программой. Примером обработки одной программой другой является компиляция исходной программы, написанной на языке высокого уровня, в список машинных команд, составляющих программу на машинном языке, которая называется объектной программой. Исходная программа поступает на вход компилятора, который транслирует ее в программу на машинном языке.
Рис. 3.1. Базовые функциональные устройства компьютера
Информация, предназначенная для обработки компьютером, должна быть закодирована, чтобы иметь подходящий для компьютера формат. Современное аппаратное обеспечение в большинстве своем основано на цифровых схемах, у которых имеется только два устойчивых состояния, ON и OFF (см. лекцию 2). В результате кодирования любое число, символ или команда преобразуется в строку двоичных цифр, называемых битами, каждый из которых имеет одно из двух возможных значений: 0 или 1. Для представления чисел (как станет ясно из лекции 4) обычно используется позиционная двоичная нотация. Иногда применяется двоично-десятичный формат (Binary-Coded Decimal, BCD), в соответствии с которым каждая десятичная цифра кодируется отдельно, с помощью четырех бит.
Буквы и цифры также представляются посредством двоичных кодов. Для них разработано несколько разных схем кодирования. Наиболее распространенными считаются схемы ASCII (American Standard Code for Information Interchange - американский стандартный код для обмена информацией), где каждый символ представлен 7-битовым кодом, и EBCDIC (Extended Binary Coded Decimal Interchange Code - расширенный двоично-десятичный код для обмена информацией), в котором для кодирования символа используется 8 бит.
Устройство ввода
Компьютер принимает кодированную информацию через устройство ввода, задачей которого является чтение данных. Наиболее распространенным устройством ввода является клавиатура. Когда пользователь нажимает клавишу, соответствующая буква или цифра автоматически преобразуется в определенный двоичный код и по кабелю пересылается либо в память, либо процессору.
Существует и ряд других устройств ввода, среди которых джойстики, трекболы и мыши. Они используются совместно с дисплеем в качестве графических входных устройств. Для ввода звука могут использоваться микрофоны. Воспринимаемые ими звуковые колебания измеряются и конвертируются в цифровые коды для хранения и обработки.
Блок памяти
Задачей блока памяти является хранение программ и данных. Существует два класса запоминающих устройств, а именно первичные и вторичные. Первичное запоминающее устройство (primary storage) - это память, быстродействие которой определяется скоростью работы электронных схем. Пока программа выполняется, она должна храниться в первичной памяти. Эта память состоит из большого количества полупроводниковых ячеек, каждая из которых может хранить один бит информации. Ячейки редко считываются по отдельности - обычно они обрабатываются группами фиксированного размера, называемыми словами. Память организована так, что содержимое одного слова, содержащего n бит, может записываться или считываться за одну базовую операцию.
Для облегчения доступа к словам в памяти с каждым словом связывается отдельный адрес. Адреса - это числа, идентифицирующие конкретные местоположения слов в памяти. Для того чтобы прочитать слово из памяти или записать его в таковую, необходимо указать его адрес и задать управляющую команду, которая начнет соответствующую операцию.
Количество битов в каждом слове часто называют длиной машинного слова. Обычно слово имеет длину от 16 до 64 бит. Одним из факторов, характеризующих класс компьютера, является емкость его памяти. Малые машины обычно могут хранить лишь несколько десятков миллионов слов, тогда как средние и большие машины обычно способны хранить сотни миллионов и миллиарды слов. Типичными единицами измерения количества обрабатываемых машиной данных являются слово, несколько слов или часть слова. Как правило, за время одного обращения к памяти считывается или записывается только одно слово.
Во время выполнения программа должна находиться в памяти. Команды и данные должны записываться в память и считываться из памяти под управлением процессора. Исключительно важна возможность предельно быстрого доступа к любому слову памяти. Память, к любой точке которой можно получить доступ за короткое и фиксированное время, называется памятью с произвольным доступом (Random-Access Memory, RAM). Время, необходимое для доступа к одному слову, называется временем доступа к памяти. Это время всегда одинаково, независимо от того, где располагается нужное слово. Время доступа к памяти в современных устройствах RAM составляет от нескольких наносекунд до 100. Память компьютера обычно представляет собой иерархическую структуру, состоящую из трех или четырех уровней полупроводниковых RAM-элементов с различной скоростью и разным размером. Наиболее быстродействующим типом RAM-памяти является кэш-память (или просто кэш). Она напрямую связана с процессором и часто находится на одном с ним интегрированном чипе, благодаря чему работа процессора значительно ускоряется. Память большей емкости, но менее быстрая, называется основной памятью (main memory). Далее в этой лекции процесс доступа к информации в памяти описывается подробнее, а позднее мы детально рассмотрим принципы ее функционирования и вопросы, связанные с производительностью.
Первичные запоминающие устройства являются исключительно важными компонентами для компьютера, но они довольно дороги. Поэтому компьютеры оборудуются дополнительными, более дешевыми вторичными запоминающими устройствами, используемыми для хранения больших объемов данных и большого количества программ. В настоящее время таких устройств имеется достаточно много. Но наиболее широкое распространение получили магнитные диски, магнитные ленты и оптические диски (CD-ROM).
Рассмотрим устройство компьютера на примере самой распространенной компьютерной системы - персонального компьютера. Персональным компьютером (ПК) называют сравнительно недорогой универсальный микрокомпьютер, рассчитанный на одного пользователя. Персональные компьютеры обычно проектируются на основе принципа открытой архитектуры.
Принцип открытой архитектуры заключается в следующем:
· Регламентируются и стандартизируются только описание принципа действия компьютера и его конфигурация (определенная совокупность аппаратных средств и соединений между ними). Таким образом, компьютер можно собирать из отдельных узлов и деталей, разработанных и изготовленных независимыми фирмами-изготовителями.
· Компьютер легко расширяется и модернизируется за счёт наличия внутренних расширительных гнёзд, в которые пользователь может вставлять разнообразные устройства, удовлетворяющие заданному стандарту, и тем самым устанавливать конфигурацию своей машины в соответствии со своими личными предпочтениями.
Упрощённая блок-схема, отражающая основные функциональные компоненты компьютерной системы в их взаимосвязи (Рисунок 8.6).
Рисунок 9.6 – Общая структура персонального компьютера с подсоединенными периферийными устройствами
Рисунок 9.7 – Структурная схема персонального компьютера
Разберем функциональное назначение основных составных частей.
Микропроцессор (МП). Это центральный блок ПК, предназначенный для управления работой всех блоков машины и для выполнения арифметических и логических операций над информацией.
В состав микропроцессора входят:
· устройство управления (УУ) - формирует и подает во все блоки машины в нужные моменты времени определенные сигналы управления (управляющие импульсы); опорную последовательность импульсов устройство управления получает от генератора тактовых импульсов;
· арифметико-логическое устройство (АЛУ) - предназначено для выполнения всех арифметических и логических операций над числовой и символьной информацией (в некоторых моделях ПК для ускорения выполнения операций к АЛУ подключается дополнительный математический сопроцессор);
· микропроцессорная память (МПП) - служит дня кратковременного хранения, записи и выдачи информации, непосредственно используемой в вычислениях в ближайшие такты работы машины. (МПП строится на регистрах и используется для обеспечения высокого быстродействия машины, ибо основная память (ОП) не всегда обеспечивает скорость записи, поиска и считывания информации, необходимую для эффективной работы быстродействующего микропроцессора.)
интерфейсная система микропроцессора - реализует сопряжение и связь с другими устройствами ПК; включает в себя внутренний интерфейс МП, буферные запоминающие регистры и схемы управления портами ввода-вывода (ПВВ) и системной шиной. Интерфейс - это средство сопряжения двух устройств, в котором все физические и логические параметры согласуются между собой. Если интерфейс является общепринятым, например, утверждённым на уровне международных соглашений, то он называется стандартным.
Генератор тактовых импульсов . Генерирует последовательность электрических импульсов; частота генерируемых импульсов определяет тактовую частоту машины, которая является одной из основных характеристик персонального компьютера, и во многом определяет скорость его работы, ибо каждая операция в машине выполняется за определенное количество тактов:
Системная шина . Это основная интерфейсная система компьютера, обеспечивающая сопряжение и связь всех его устройств между собой. Системная шина включает в себя:
1. кодовую шину данных (КШД);
2. кодовую шину адреса (КША);
3. кодовую шину инструкций (КШИ);
4. шину питания
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 (в режиме прямого доступа к памяти).
Основная память (ОП). Она предназначена для хранения и оперативного обмена информацией с прочими блоками машины. ОП содержит два вида запоминающих устройств: постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) и оперативное запоминающее устройство (ОЗУ).
ПЗУ служит для хранения неизменяемой (постоянной) программной и справочной и формации, позволяет оперативно только считывать хранящуюся в нем информацию (изменить информацию в ПЗУ нельзя).
ОЗУ предназначено для оперативной записи, хранения и считывания информации (программ и данных), непосредственно участвующей в информационно-вычислительном процессе, выполняемом ПК в текущий период времени.
Внешняя память . Она относится к внешним устройствам ПК и используется для долговременного хранения любой информации. В частности, во внешней памяти хранится все программное обеспечение компьютера. Внешняя память содержит разнообразные виды запоминающих устройств, наиболее распространенными являются накопители на жестких (НЖМД) и гибких (НГМД) магнитных дисках.
Назначение этих накопителей - хранение больших объемов информации
Источник питания . Это блок, содержащий системы автономного и сетевого энергопитания ПК.
Таймер . Это внутримашинные электронные часы, обеспечивающие при необходимости автоматический съем текущего момента времени (год, месяц, часы, минуты, секунды и доли секунд). Таймер подключается к автономному источнику питания - аккумулятору и при отключении машины от сети продолжает работать.
Внешние устройства (ВУ). По назначению можно выделить следующие виды ВУ:
· внешние запоминающие устройства (ВЗУ) или внешняя память ПК;
· диалоговые средства пользователя;
· устройства ввода информации;
· устройства вывода информации;
· средства связи и телекоммуникации.
Диалоговые средства пользователя включают в свой состав видеомониторы (дисплеи), реже пультовые пишущие машинки (принтеры с клавиатурой) и устройства речевого ввода-вывода информации.
К устройствам ввода информации относятся:
· клавиатура
· графические планшеты (диджитайзеры)- для ручного ввода графической информации, изображений путем перемещения по планшету специального указателя (пера); при перемещении пера автоматически выполняются считывание координат его местоположения и ввод этих координат в ПК;
· сканеры;
· манипуляторы (устройства указания): джойстик - рычаг, мышь, трекбол - шар в оправе, световое перо и др. - для ввода графической информации на экран дисплея путем управления движением курсора по экрану с последующим кодированием координат курсора и вводом их в ПК;
· сенсорные экраны - для ввода отдельных элементов изображения, программ или команд с полиэкрана дисплея в ПК.
К устройствам вывода информации относятся:
· принтеры
· графопостроители (плоттеры)
Для согласования интерфейсов периферийные устройства подключаются к шине не напрямую, а через свои контроллеры (адаптеры) и порты примерно по такой схеме (Рисунок 8.8).
Рисунок 9.8 – Схема подключения периферийных устройств
Контроллеры и адаптеры представляют собой наборы электронных цепей, которыми снабжаются устройства компьютера с целью совместимости их интерфейсов. Контроллеры, кроме этого, осуществляют непосредственное управление периферийными устройствами по запросам микропроцессора.
Порты устройств представляют собой некие электронные схемы, содержащие один или несколько регистров ввода-вывода и позволяющие подключать периферийные устройства компьютера к внешним шинам микропроцессора. Портами также называют устройства стандартного интерфейса: последовательный, параллельный и игровой порты (или интерфейсы).
Последовательный порт обменивается данными с процессором побайтно, а с внешними устройствами - побитно. Параллельный порт получает и посылает данные побайтно. К последовательному порту обычно подсоединяют медленно действующие или достаточно удалённые устройства, такие, как мышь и модем. К параллельному порту подсоединяют более "быстрые" устройства - принтер и сканер. Через игровой порт подсоединяется джойстик. Клавиатура и монитор подключаются к своим специализированным портам, которые представляют собой просто разъёмы.
Дополнительные схемы . К системной шине и к МП ПК наряду с типовыми внешними устройствами могут быть подключены и некоторые дополнительные платы с интегральными микросхемами, расширяющие и улучшающие функциональные возможности микропроцессора: математический сопроцессор, контроллер прямого доступа к памяти, сопроцессор ввода-вывода, контроллер прерываний и др.
Несмотря на огромное разнообразие вычислительной техники и ее необычайно быстрое совершенствование, фундаментальные принципы устройства машин во многом остаются неизменными. В частности, начиная с самых первых поколений, любой персональный компьютер состоит из следующих основных устройств: процессор, память (внутренняя и внешняя) и устройства ввода и вывода информации. Рассмотрим более подробно назначение каждого из них.
Процессор – главное устройство компьютера
Процессор является главным устройством компьютера, в котором собственно и происходит обработка всех видов информации. Другой важной функцией процессора является обеспечение согласованного действия всех узлов, входящих в состав компьютера. Соответственно наиболее важными частями процессора являются арифметико-логическое устройство АЛУ и устройство управления УУ.
Каждый процессор способен выполнять вполне определенный набор универсальных инструкций, называемых чаще всего машинными командами. Каков именно этот набор, определяется устройством конкретного процессора, но он не очень велик и в основном аналогичен для различных процессоров. Работа персонального компьютера состоит в выполнении последовательности таких команд, подготовленных в виде программы. Процессор способен организовать считывание очередной команды, ее анализ и выполнение, а также при необходимости принять данные или отправить результаты их обработки на требуемое устройство. Выбрать, какую инструкцию программы исполнять следующей, также должен сам процессор, причем результат этого выбора часто может зависеть от обрабатываемой в данный момент информации.
Хотя внутри процессора всегда имеются специальные ячейки (регистры) для оперативного хранения обрабатываемых данных и некоторой служебной информации, в нем сознательно не предусмотрено место для хранения программы. Для этой важной цели в компьютере служит другое устройство – память. Рассмотрим лишь наиболее важные виды компьютерной памяти, поскольку ее ассортимент непрерывно расширяется и пополняется все новыми и новыми типами.
Память в целом предназначена для хранения, как данных, так и программ их обработки: согласно фундаментальному принципу фон Неймана, для обоих типов информации используется единое устройство.
Память компьютера
Начиная с самых первых персональных компьютеров, память сразу стали делить на внутреннюю и внешнюю. Исторически это действительно было связано с размещением внутри или вне процессорного шкафа. Однако с уменьшением размеров машин внутрь основного процессорного корпуса удавалось поместить все большее количество устройств, и первоначальный непосредственный смысл данного деления постепенно утратился. Тем не менее, терминология сохранилась.
Внутренняя память
Под внутренней памятью современного компьютера принято понимать быстродействующую электронную память, расположенную на его системной плате. Сейчас такая память изготавливается на базе самых современных полупроводниковых технологий (раньше использовались магнитные устройства на основе ферритовых сердечников – лишнее свидетельство тому, что конкретная физические принципы значения не имеют). Наиболее существенная часть внутренней памяти называется ОЗУ - оперативное запоминающее устройство. Его главное назначение состоит в том, чтобы хранить данные и программы для решаемых в текущий момент задач. Наверное, каждому пользователю, известно, что при выключении питания содержимое ОЗУ полностью теряется. В состав внутренней памяти современного компьютера помимо ОЗУ также входят и некоторые другие разновидности памяти. Здесь упомянем только о постоянном запоминающем устройстве (ПЗУ), в котором в частности хранится информация, необходимая для первоначальной загрузки компьютера в момент включения питания. Как очевидно из названия, информация в ПЗУ не зависит от состояния компьютера (для лучшего понимания можно указать на некоторую аналогию между информацией в ПЗУ и “врожденными” безусловными рефлексами у живых существ). Раньше содержимое ПЗУ раз и навсегда формировалось на заводе, теперь же современные технологии позволяют в случае необходимости обновлять его даже не извлекая из компьютерной платы.
Внешняя память
Внешняя память реализуется в виде довольно разнообразных устройств хранения информации и обычно конструктивно оформляется в виде самостоятельных блоков. Сюда, прежде всего, следует отнести накопители на гибких и жестких магнитных дисках (последние несколько жаргонно пользователи часто именуют винчестерами), а также оптические дисководы (устройства для работы с CD ROM). В конструкции устройств внешней памяти имеются механически движущиеся части, поэтому скорость их работы существенно ниже, чем у полностью электронной внутренней памяти. Тем не менее, внешняя память позволяет сохранить огромные объемы информации с целью последующего использования. Подчеркнем, что информация во внешней памяти, прежде всего, предназначена для самого компьютера и поэтому хранится в удобной ему форме; человек без использования машины не в состоянии, например, даже отдаленно представить содержимое немаркированной дискеты или диска CD ROM.
Современные программные системы способны объединять внутреннюю и внешнюю память в единое целое, причем так, чтобы наиболее редко используемая информация попадала в более медленно работающую внешнюю память. Такой метод дает возможность очень существенно расширить объем обрабатываемой с помощью компьютера информации.
Если процессор дополнить памятью, то такая система уже может быть работоспособной. Ее существенным недостатком является невозможность узнать что-либо о происходящем внутри такой системы. Для получения информации о результатах, необходимо дополнить компьютер устройствами вывода, которые позволяют представить их в доступной человеческому восприятию форме. Наиболее распространенным устройством вывода является дисплей, способный быстро и оперативно отображать на своем экране как текстовую, так и графическую информацию. Для того чтобы получить копию результатов на бумаге, используют печатающее устройство, или принтер.
Устройства ввода
Наконец, поскольку пользователю часто требуется вводить в компьютерную систему новую информацию, необходимы еще и устройства ввода. Простейшим устройством ввода является клавиатура. Широкое распространение программ с графическим интерфейсом способствовало популярности другого устройства ввода – манипулятора мышь. Наконец, очень эффективным современным устройством для автоматического ввода информации в компьютер является сканнер, позволяющий не просто преобразовать картинку с листа бумаги в графический компьютерный файл, но и с помощью специального программного обеспечения распознать в прочитанном изображении текст и сохранить его в виде, пригодном для редактирования в обычном текстовом редакторе.
Функциональная схема современного компьютера
Теперь, когда мы знаем основные устройства компьютера и их функции, осталось выяснить, как они взаимодействуют между собой. Для этого обратимся к функциональной схеме современного компьютера, приведенной на рисунке.
Рисунок 1
Для связи основных устройств компьютера между собой используется специальная информационная магистраль, обычно называемая инженерами шиной. Шина состоит из трех частей:
шина адреса, на которой устанавливается адрес требуемой ячейки памяти или устройства, с которым будет происходить обмен информацией;
шина данных, по которой собственно и будет передана необходимая информация; и, наконец,
шина управления, регулирующей этот процесс (например, один из сигналов на этой шине позволяет компьютеру различать между собой адреса памяти и устройств ввода/вывода).
Рассмотрим в качестве примера, как процессор читает содержимое ячейки памяти. Убедившись, что шина в данный момент свободна, процессор помещает на шину адреса требуемый адрес и устанавливает необходимую служебную информацию (операция – чтение, устройство – ОЗУ и т.п.) на шину управления. Теперь ему остается только ожидать ответа от ОЗУ. Последнее, “увидев” на шине обращенный к нему запрос на чтение информации, извлекает содержимое необходимой ячейки и помещает его на шину данных. Особо отметим, что обмен по шине при определенных условиях и при наличии определенного вспомогательного оборудования может происходить и без непосредственного участия процессора, например, между устройством ввода и внутренней памятью.
Подчеркнем также, что описанная нами функциональная организация компьютеров на практике может быть значительно сложнее. Современный компьютер может содержать несколько согласованно работающих процессоров, прямые информационные каналы между отдельными устройствами, несколько взаимодействующих магистралей и т.д. Тем не менее, если понимать наиболее общую схему, то разобраться в конкретной компьютерной системе будет уже легче. Магистральная структура позволяет легко подсоединять к компьютеру именно те внешние устройства, которые нужны для данного пользователя. Благодаря ей удается скомпоновать из стандартных блоков любую индивидуальную конфигурацию компьютера.
Похожая информация.
