Именем какого математика называют функциональную схему компьютера
Обновлено: 07.07.2024
Компьютер— это электронно-вычислительная машина, предназначенная для передачи, хранения и обработки информации.
Любой компьютер имеет следующие главные устройства: процессор, включающий в себя устройство управления (УУ) и арифметико-логическое устройство (АЛУ); память (запоминающее устройство, ЗУ), состоящую из перенумерованных ячеек; устройство ввода; устройство вывода. Для связи основных устройств компьютера между собой используется специальная информационная магистраль, обычно называемая 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;
· шина управления, регулирующей этот процесс (например, один из сигналов на этой шине позволяет компьютеру различать между собой адреса памяти и устройств ввода/вывода).
· обработка данных по заданной программе путем выполнения арифметических и логических операций;
· программное управление работой устройств компьютера.
Основные функциональные части компьютера
В составе процессора имеется ряд специализированных дополнительных ячеек памяти, называемых регистрами. Регистр команд выполняет функцию кратковременного хранения числа или команды; счетчик команд — регистр, содержимое которого соответствует адресу очередной выполняемой команды, служит для автоматической выборки программы из последовательных ячеек памяти; сумматор — регистр, участвующий в выполнении каждой операции.
Функции оперативной памяти:
· приём информации из процессора и других устройств;
· выдача информации по запросу в другие устройства компьютера.
При выключении компьютера, перезагрузке, случайных сбоях по питанию все содержимое оперативной памяти стирается.
Функциональное взаимодействие процессора и памяти представлено на рис. 1.
Для того чтобы произвести операцию над данными, процессор должен прочитать их из оперативной памяти и после произведения над ними определенного действия записать их обратно в память в обновленном (измененном) виде. Команды и данные идентифицируются их адресом, который, по сути, представляет собой порядковый номер ячейки памяти.
Схему устройства компьютера предложил Джон фон Нейман в 1946г, её принципы работы во многом сохранились в современных компьютерах.
Принципы Джон фон Неймана:
1. принцип программного управления (программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором друг за другом в определенной последовательности);
2. принцип однородности памяти (программы и данные хранятся в одной и той же памяти, поэтому компьютер не различает, что хранится в данной ячейке памяти — число, текст или команда. Над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными);
3. принцип адресности (оперативная память состоит из пронумерованных ячеек и процессору в любой момент времени доступна любая ячейка).
Он также разработал концепцию запоминаемой программы. На ее основе в компьютере имеется постоянное запоминающее устройство, которое служит для хранения программ внутреннего тестирования устройств, программы настройки конфигурации (SETUP). Совокупность этих микропрограмм называется BIOS (базовая система ввода-вывода), которая реализована в виде микросхемы. Другими словами, постоянное запоминающее устройство служит для хранения программ первоначальной загрузки компьютера и тестирования его основных узлов;
Основу компьютеров образует аппаратура (Hardware), построенная, в основном, с использованием электронных и электромеханических элементов и устройств. Принцип действия компьютеров состоит в выполнении программ (SoftWare) — заранее заданных, четко определённых последовательностей арифметических, логических и других операций.
Любая компьютерная программа представляет собой последовательность отдельных команд. Команда — это описание операции, которую должен выполнить компьютер. Как правило, у команды есть свой код (условное обозначение), исходные данные (операнды) и результат.
Позиционные системы счисления
При работе с компьютерами приходится параллельно использовать несколько позиционных систем счисления, поэтому большое практическое значение имеют процедуры перевода чисел из одной системы счисления в другую.
Система называется позиционной, если значение каждой цифры (ее вес) изменяется в зависимости от ее положения (позиции) в последовательности цифр, изображающих число.
| Двоичная | Восьмиричная | Шестнадцатиричная | Десятичная |
| A | |||
| B | |||
| C | |||
| D | |||
| E | |||
| F |
Запись каждого числа, состоящего из n цифр, может быть представлено в виде суммы произведений коэффициентов на степени основания системы счисления.
Х = an-1*m n -1 +an-2*m n -2 +. +a0*m 0 +a-1*m -1 +a-2*m -2 +.
Так, в десятичной системе счисления (m=10) число 642,43 можно записать, как 642,43 =6*10 2 +4*10 1 +2*10 0 +4*10 -1 +3*10 -2 Системы счисления по основанию 2, 8 и 16 используются в машинно-ориентированных разделах программирования.
Основанием системы счисления (m) называется количество различных символов (цифр), используемых в каждом из разрядов числа для его изображения в данной системе счисления.
Существуют алгоритмы перевода чисел из одной позиционной системы счисления в другую. Арифметические действия над числами в любой позиционной системе счисления производятся по тем же правилам, что и в десятичной системе. При этом нужно только пользоваться теми таблицами сложения и умножения, которые соответствуют данному основанию m системы счисления.
Перевод десятичного числа в двоичное и т.д. немного сложнее:
В непозиционных системах счисления величина, которую обозначает цифра, не зависит от положения в числе. Арифметические действия не производятся. В большинстве таких систем в качестве символов для счёта употребляются буквы алфавита, а также дополнительные символы.
В вычислительной технике используется двоичная система исчисления, так как элементы имеют 2 состояния, их легче реализовывать, чем множество состояний. Например, триггер (это электронное устройство, обладающее способностью длительно находиться в одном из двух устойчивых состояний и чередовать их под воздействием внешних сигналов) условно принимает 2 состояния + или -, 1 или 0, Да или Нет.
Цифра двоичной системы 0 или 1 называется битом. Восемь битов называют байтом. Компьютер хранит данные в памяти именно так. Для обозначения какого- нибудь символа (цифры, буквы, запятой, точки. ) в компьютере используется определенное количество бит. Компьютер "распознает" 256 (от 0 до 255) различных символов по их коду. Этого достаточно, чтобы вместить все цифры (0 - 9), буквы латинского алфавита (a - z, A - Z), русского (а - я, А - Я), а также другие символы. Для представления символа с максимально возможным кодом (255) нужно 8 бит. Таким образом, один любой символ - это 1 байт. Так, русские буквы в двоичной форме представления данных имеют следующий вид: А - 11000001, И - 1100101), Я - 11011101.
Почему же тогда на экране мы видим текст, а не "единички-нолики"? Дело в том, что всю работу по выводу самого символа на экран (а не битов) выполняет видеокарта (видеоадаптер), которая находится в компьютере.
Стандартную таблицу символов, применяемых в компьютере, называют кодовой страницей или таблицей ASCII-кодов. Каждый символ таблицы ASCII-кодов имеет свое значение и двоичную запись. Например, пробел, то есть пустое место между символами в строке, записывается в двоичном коде как 00100000, а в таблице ASCII ему соответствует значение 032.
Полный набор таких символов включает весь алфавит из больших и маленьких букв, все десять привычных нам арабских цифр от 0 до 9, знаки препинания и математические символы, а также символы псевдографики — растры, прямоугольники, одинарные и двойные рамки, стрелки. В таблице ASCII-кодов есть еще некоторые специальные символы, управляющие работой принтера и других программ и устройств компьютерной системы, которых нет на клавиатуре. В последние годы получил широкое распространение Юникод (англ. Unicode) как альтернатива традиционным кодовым страницам. Этот стандарт кодирования символов позволяет представить знаки практически всех письменных языков, включая китайские иероглифы. В качестве окончательной величины кодового пространства Юникода было выбрано 1112064 символов.
Машинный язык и язык ассемблера
Реальная программа, которую выполняет компьютер, это последовательность единиц и нулей, связанных с памятью компьютера. Эту строку бит принято называть машинным языком. Машинный язык понимает процессор. Он извлекает команды машинного языка из памяти точно определенным способом. Затем компьютер выполняет команду, обозначенную данной конфигурацией бит.
Для облегчения написания программ был разработан язык ассемблера.
Язык ассемблера - это машинно-зависимый язык низкого уровня, в котором короткие мнемонические имена соответствуют отдельным машинным командам. Используется для представления в удобочитаемой форме программ, записанных в машинном коде. Компьютер читает программы на языке ассемблера и переводит их в машинный язык, в ту форму, которая понятна процессору. Этот процесс, называемый "ассемблированием" программы, фактически является переводом с одного языка на другой. Операцию перевода с языка ассемблера на машинный язык выполняет программа, называемая ассемблером. Язык ассемблера машинно-зависимый. Это связано с тем, что команды языка ассемблера почти один к одному переводятся в команды машинного языка, т.е. каждая команда языка ассемблера обычно преобразуется точно в одну команду машинного языка.
Поскольку машинные языки разных компьютеров различны, то различаются и языки ассемблера.
Язык ассемблера позволяет программисту пользоваться текстовыми мнемоническими (то есть легко запоминаемыми человеком) кодами, по своему усмотрению присваивать символические имена регистрам компьютера и памяти, а также задавать удобные для себя способы адресации. Кроме того, он позволяет использовать различные системы счисления (например, шестнадцатеричную) для представления числовых констант, использовать в программе комментарии и др. Программы, написанные на языке ассемблера, требуют значительно меньшего объема памяти и времени выполнения. Знание программистом языка ассемблера и машинного кода дает ему понимание архитектуры машины. Языки высокого уровня были разработаны для того, чтобы освободить программиста от учета технических особенностей конкретных компьютеров, их архитектуры. В противоположность этому, язык ассемблера разработан с целью учесть конкретную специфику процессора. Исходная программа (часто называют исходным кодом) - это написанная программистом текст компьютерной программы на каком-либо языке программирования. Объектная программа - результат перевода исходной программы в эквивалентную программу.
Процесс перевода исходного кода в объектный код выполняет программа, называемая транслятором. Трансляция программы — преобразование программы, представленной на одном из языков программирования, в программу на другом языке, равносильную первой.
Транслятор, который преобразует программы в машинный язык, принимаемый и исполняемый непосредственно процессором, называется компилятором.
Развитие и будущее компьютеров
Развитие ЭВМ делится на несколько периодов. Поколения ЭВМ каждого периода отличаются друг от друга элементной базой и математическим обеспечением. Представим развитие компьютеров в виде следующей таблицы
Однако ЭВМ пятого поколения — это ЭВМ будущего. Предполагается, что их элементной базой будут служить не СБИС, а созданные на их базе устройства с
элементами искусственного интеллекта. Для увеличения памяти и быстродействия будут использоваться достижения оптоэлектроники и биопроцессоры.
Тактовые частоты современных персональных компьютеров (ПК) превышают 3 ГГц, объемы ОЗУ свыше 4 Гбайт. Емкость накопителей на жестких дисках измеряется уже в террабайтах. Вычислительные мощности ПК просто колоссальны (хотя и остаются еще недостаточными для решения многих прикладных задач).
Чтобы определить, сколько байтов содержится в одном террабайте, следует рассмотреть следующую таблицу.
· Один Килобайт равен 2 10 Байт = 1024 Байт. (Обозначается как "Кб")
· Один Мегабайт равен 2 20 Байт = 1024 Килобайт = 1 048 576 Байт. (Обозначается "Мб").
· Один Гигабайт равен 2 30 Байт = 1024 Мегабайт = 1 048 576 Килобайт = очень много Байт..
(1024*1 048 576 на калькуляторе) (Обозначается "Мб").
· Один Терабайт равен 2 40 Байт = 1024 Гигабайт = 1 048 576 Мегабайт = . (Обозначается "Тб")
Компьютер для домашнего пользователя стал выполнять сразу три важных функции: коммуникативную (выход в интернет/локальную сеть), развивающую (обучение, выполнение профессиональной работы) и развлекательную (прослушивание музыки, просмотр кинофильмов, видеоигры).
К технологиям, способным экспоненциально увеличивать обрабатывающую мощность компьютеров, следует отнести молекулярные или атомные технологии; ДНК и другие биологические материалы; трехмерные технологии; технологии, основанные на фотонах вместо электронов, и, наконец, квантовые технологии, в которых используются элементарные частицы. Если на каком-нибудь из этих направлений удастся добиться успеха, то компьютеры могут стать вездесущими. А если таких успешных направлений будет несколько, то они распределятся по разным нишам. Например, квантовые компьютеры будут специализироваться на шифровании и поиске в крупных массивах данных, молекулярные - на управлении производственными процессами и микромашинах,
Вопросы для самопроверки
1. Каковы основные функции процессора и оперативно-запоминающего устройства
компьютера?
2. Каковы принципы работы компьютера?
3. Что понимается под командой и программой?
4. Чем отличается позиционная от непозиционной системы счисления?
5. Какие символы используются для записи чисел в двоичной системе счисления, восьмеричной, шестнадцатеричной?
6. Преобразуйте следующие десятичные числа в двоичные (восьмеричные,
шестнадцатеричные): 0, 1, 18, 25, 128.
7. Дешифруйте следующие двоичные числа, преобразовав их в десятичные: 0010, 1011, 11101, 0111, 0101.
8. Дешифруйте следующие восьмиричные числа, преобразовав их в десятичные: 777, 375, 111, 1015.
9. Дешифруйте следующие шестнадцатиричные числа, преобразовав их в десятичные: 15, A6, 1F5, 63.
10. Какая разница между машинным языком и языком ассемблера?
11. Каково назначение транслятора?
12. Что можно сказать о будущем развитии персональных компьютеров?
1. Левин А.Ш. Энциклопедия пользователя персонального компьютера.- М.:Питер, 2010. - 908 с.
2. Колисниченко Д. Самоучитель работы на компьютере. - М.:АСТ, 2010. - 414 с.
Компьютер должен иметь:
- арифметическо-логическое устройство, выполняющее арифметические и логические операции. В наше время это устройство называется центральный процессор. Центральный процессор(central processing unit) – микропроцессор компьютера, представляющий собой микросхему, которая управляет всеми процессами, происходящими в компьютере;
- устройство управления, которое организует процесс выполнения программ. В современных компьютерах арифметическо-логическое устройство и устройство управления объединены в центральный процессор;
- запоминающее устройство (память) для хранения программ и данных;
- внешние устройства для ввода-вывода информации.
Память компьютера представляет собой некоторое количество пронумерованных ячеек, в каждой из которых могут находиться или обрабатываемые данные, или инструкции программ. Все ячейки памяти должны быть одинаково легко доступны для других устройств компьютера.
- С помощью внешнего устройства в память компьютера вводится программа.
- Устройство управления считывает содержимое ячейки памяти, где находится первая инструкция (команда) программы и организует ее выполнение. Команда может задавать:
- выполнение логических или арифметических операций;
- чтение из памяти данных для выполнения арифметических или логических операций;
- запись результатов в память;
- ввод данных из внешнего устройства в память;
- вывод данных из памяти на внешнее устройство.
Один из принципов "Архитектуры фон Неймана" гласит: в компьютере не придется изменять подключения проводов, если все инструкции будут храниться в его памяти . И как только эту идею в рамках “архитектуры фон Неймана» воплотили на практике, родился современный компьютер.
Как всякая техника, компьютеры развивались в сторону увеличения функциональности, целесообразности и красоты. Есть вообще утверждение, претендующее на закон: совершенный прибор не может быть безобразным по внешнему виду и наоборот, красивая техника не бывает плохой. Компьютер становится не только полезным, но и украшающим помещение прибором. Внешний вид современного компьютера, конечно, соотносится со схемой фон Неймана, но в то же время и разнится с ней.
Благодаря фирме IBM идеи фон Неймана реализовались в виде широко распространенного в наше время принципа открытой архитектуры системных блоков компьютеров. Согласно этого принципа компьютер не является единым неразъемным устройством, а состоящим из независимо изготовленных частей, причем методы сопряжения устройств с компьютером не являются секретом фирмы-производителя, а доступны всем желающим. Таким образом, системные блоки можно собирать по принципу детского конструктора, то есть менять детали на другие, более мощные и современные, модернизируя свой компьютер ( апгрейд , upgrade — "повышать уровень"). Новые детали полностью взаимозаменяемы со старыми. «Открыто архитектурными» персональные компьютеры делает также системная шина, это некая виртуальная общая дорога или жила, или канал, в который выходят все выводы ото всех узлов и деталей системного блока. Надо сказать, что большие компьютеры (не персональные) не обладают свойством открытости, в них нельзя просто так что-то заменить другим, более совершенным, например, в самых современных компьютерах могут отсутствовать даже соединительные провода между элементами компьютерной системы: мышью, клавиатурой ("keyboard"– "клавишная доска") и системным блоком. Они могут общаться между собой при помощи инфракрасного излучения, для этого в системном блоке есть специальное окошко приема инфракрасных сигналов (по типу пульта дистанционного управления телевизора).
В настоящее время обычный персональный компьютер представляет собой комплекс, состоящий из:
- основной электронной платы (системной, материнской), на которой размещены те блоки, которые осуществляют обработку информации вычисления;
- схем, управляющих другими устройствами компьютера, вставляемых в стандартные разъемы на системной плате – слоты;
- дисков хранения информации;
- блока питания, от которого подводится электропитание ко всем электронным схемам;
- корпуса (системный блок), в котором все внутренние устройства компьютера устанавливаются на общей раме;
- клавиатуры;
- монитора;
- других внешних устройств.
Компьютеры, построенные на принципах фон Неймана
В середине 1940-х проект компьютера, хранящего свои программы в общей памяти был разработан в Школе электрических разработок Мура (англ. Moore School of Electrical Engineering ) в Университете штата Пенсильвания. Подход, описанный в этом документе, стал известен как архитектура фон Неймана, по имени единственного из названных авторов проекта Джона фон Неймана, хотя на самом деле авторство проекта было коллективным. Архитектура фон Неймана решала проблемы, свойственные компьютеру ENIAC, который создавался в то время, за счёт хранения программы компьютера в его собственной памяти. Информация о проекте стала доступна другим исследователям вскоре после того, как в 1946 году было объявлено о создании ENIAC. По плану предполагалось осуществить проект силами Муровской школы в машине EDVAC, однако до 1951 года EDVAC не был запущен из-за технических трудностей в создании надёжной компьютерной памяти и разногласий в группе разработчиков. Другие научно-исследовательские институты, получившие копии проекта, сумели решить эти проблемы гораздо раньше группы разработчиков из Муровской школы и реализовали их в собственных компьютерных системах. Первыми пятью компьютерами, в которых были реализованы основные особенности архитектуры фон Неймана, были:
![Рис. 2. «Водопроводная модель» операций булевой алгебры]()
Булева алгебра (названа в честь английского математика XIX века Джорджа Буля) рассматривает величины, принимающие только два значения — 0 или 1. Значение булевой величины можно представлять как ложность или истинность какого-либо утверждения (0 — ложь, 1 — истина). Поэтому с такими величинами можно производить различные операции — так же, как мы оперируем с утверждениями при рассуждениях. Основные операции — это И , ИЛИ , НЕ . Например: «я возьму зонт», если «пойдет дождь» И «за мной НЕ заедет друг на машине». Если обозначить через С утверждение «я возьму зонт», А — «пойдет дождь» и В — «за мной заедет друг», то С = А И ( НЕ В ). Выполнением подобных операций и занимается процессор компьютера.
Выполнение логических операций можно проиллюстрировать на наглядной физической модели «водопровода». Представим утверждения, над которыми производятся операции, в виде вентилей на трубах (открытый вентиль — утверждение истинно, закрытый — ложно). Результат операции представим в виде крана, из которого вода может либо течь (истина), либо не течь (ложь). На рис. 2 изображены системы труб, реализующие основные логические операции. Например, рассмотрим операцию И : С = А И В (рис. 2а). Вентили А и В установлены на трубе последовательно, поэтому вода из крана С течет, только если они оба открыты. Если же установить вентили на две параллельные трубы, соединяющиеся в одну, то такая система будет выполнять операцию ИЛИ : если хотя бы один из вентилей А или В открыт, вода из крана С потечет, т. е. С = А ИЛИ В (рис. 2б). На рис. 2в представлена система, выполняющая операцию НЕ : если вентиль А закрыт, то вода протекает в кран В , если же он открыт, то вся вода стекает в «запасную» трубу, и через кран В не течет, т. е. В = НЕ А .
Можно ли перенести те же системы из области гидродинамики в область электроники, то есть создать электронные логические схемы? Ясно, что для этого понадобятся устройства, подобные вентилям на трубах, которые в зависимости от установленного положения либо пропускают воду по трубе, либо нет. «Электронные вентили» должны обладать подобными свойствами, т. е. регулируемой проводимостью электрического тока. Оказывается, именно триод и транзистор могут выполнять функции вентиля в электрической схеме. Чтобы понять, как это возможно, надо разобраться в физических принципах работы триода и транзистора.
Сайт учителя информатики. Технологические карты уроков, Подготовка к ОГЭ и ЕГЭ, полезный материал и многое другое.
§ 7. Основополагающие принципы устройства ЭВМ
Информатика. 10 класса. Босова Л.Л. Оглавление
7.1. Принципы Неймана-Лебедева
В каждой области науки и техники существуют фундаментальные идеи или принципы, определяющие на многие годы вперёд её содержание и направление развития. В компьютерных науках роль таких фундаментальных идей сыграли принципы, сформулированные независимо друг от друга двумя крупнейшими учёными XX века — Джоном фон Нейманом и Сергеем Алексеевичем Лебедевым.
Принцип — основное, исходное положение какой-нибудь теории, учения, науки и пр.
Принципы Неймана-Лебедева — базовые принципы построения ЭВМ, сформулированные в середине прошлого века, не утратили свою актуальность и в наши дни.
![]()
Джон фон Нейман (1903-1957) — американский учёный, сделавший важный вклад в развитие целого ряда областей математики и физики. В 1946 г., анализируя сильные и слабые стороны ЭНИАКа, совместно с коллегами пришёл к идее нового типа организации ЭВМ.
![]()
Сергей Алексеевич Лебедев (1902-1974) — академик, основоположник вычислительной техники в СССР, главный конструктор первой отечественной электронной вычислительной машины МЭСМ, автор проектов компьютеров серии БЭСМ (Большая Электронная Счётная Машина), разработчик принципиальных положений суперкомпьютера «Эльбрус». В 1996 году посмертно награждён медалью «Пионер компьютерной техники» — самой престижной наградой международного компьютерного сообщества.
Рассмотрим сущность основных принципов Неймана-Лебедева:
1) состав основных компонентов вычислительной машины;
2) принцип двоичного кодирования;
3) принцип однородности памяти;
4) принцип адресности памяти;
5) принцип иерархической организации памяти;
6) принцип программного управления.Первый принцип определяет состав основных компонентов вычислительной машины.
Любое устройство, способное производить автоматические вычисления, должно иметь определённый набор компонентов: блок обработки данных, блок управления, блок памяти и блоки ввода/вывода информации.
Функциональная схема такого компьютера, отражающая программное управление работой и взаимодействием его основных узлов, представлена на рисунке 2.5.
![]()
Рис. 2.5. Функциональная схема компьютеров первых поколений
Его информационным центром является процессор:
• все информационные потоки (тонкие стрелки на рисунке) проходят через процессор;
• управление всеми процессами (толстые стрелки на рисунке) также осуществляется процессором.Такие блоки есть и у современных компьютеров. Это:
• процессор, состоящий из арифметико-логического устройства (АЛУ), выполняющего обработку данных, и устройства управления (УУ), обеспечивающего выполнение программы и организующего согласованное взаимодействие всех узлов компьютера;
• память, предназначенная для хранения исходных данных, промежуточных величин и результатов обработки информации, а также самой программы обработки информации. Различают память внутреннюю и внешнюю. Основная часть внутренней памяти используется для временного хранения программ и данных в процессе обработки. Такой вид памяти принято называть оперативным запоминающим устройством (ОЗУ). Ещё одним видом внутренней памяти является постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), содержащее программу начальной загрузки компьютера. Внешняя или долговременная память предназначена для длительного хранения программ и данных в периоды между сеансами обработки;
• устройства ввода, преобразующие входную информацию в форму, доступную компьютеру;
• устройства вывода, преобразующие результаты работы компьютера в форму, доступную для восприятия человеком.Вместе с тем в архитектуре современных компьютеров и компьютеров первых поколений есть существенные отличия. О них будет сказано чуть ниже.
Рассмотрим суть принципа двоичного кодирования информации.
Вся информация, предназначенная для обработки на компьютере (числа, тексты, звуки, графика, видео), а также программы её обработки представляются в виде двоичного кода — последовательностей 0 и 1.
Все современные компьютеры хранят и обрабатывают информацию в двоичном коде. Выбор двоичной системы счисления обусловлен рядом важных обстоятельств: простотой выполнения арифметических операций в двоичной системе счисления, её «согласованностью» с булевой логикой, простотой технической реализации двоичного элемента памяти (триггера).
Несмотря на всеобщее признание, использование в компьютерной технике классической двоичной системы счисления не лишено недостатков. В первую очередь это проблема представления отрицательных чисел, а также нулевая избыточность (т. е. отсутствие избыточности) двоичного представления. Пути преодоления указанных проблем были найдены уже на этапе зарождения компьютерной техники.
В 1958 г. в Московском государственном университете им. М. В. Ломоносова под руководством И. П. Брусенцова был создан троичный компьютер «Сетунь» (рис. 2.6). В нём применялась уравновешенная троичная система счисления, использование которой впервые в истории позволило представлять одинаково просто как положительные, так и отрицательные числа.
Итак, благодаря двоичному кодированию, данные и программы по форме представления становятся одинаковыми, а следовательно, их можно хранить в единой памяти.
![]()
Рис. 2.6. ЭВМ «Сетунь»
Команды программ и данные хранятся в одной и той же памяти, и внешне в памяти они неразличимы. Распознать команды и данные можно только по способу использования. Это утверждение называют принципом однородности памяти.
Так как представленные в памяти команды и данные внешне неразличимы, то одно и то же значение в ячейке памяти может использоваться и как данные, и как команда в зависимости лишь от способа обращения к нему. Так, если к двоичной последовательности обращаются как к числу, то в ней выделяют поле (область) знака и поле значащих разрядов. Если к двоичной последовательности обращаются как к команде, то в ней выделяют поле кода операции и поле адресов операндов.
Однородность памяти позволяет производить операции не только над данными, но и над командами. Взяв в качестве данных для некоторой программы команды другой программы, в результате её исполнения можно получить команды третьей программы. Данная возможность лежит в основе трансляции — перевода текста программы с языка высокого уровня на язык конкретной вычислительной машины.
Структурно оперативная память компьютера состоит из отдельных битов — однородных элементов, обладающих двумя устойчивыми состояниями, одно из которых соответствует нулю, а другое — единице. Для записи или считывания группы соседних битов объединяются в ячейки памяти, каждая из которых имеет свой номер (адрес).
Команды и данные размещаются в единой памяти, состоящей из ячеек, имеющих свои номера (адреса). Это принцип адресности памяти.
Очень важно, что информация может считываться из ячеек и записываться в них в произвольном порядке, т. е. процессору в произвольный момент доступна любая ячейка памяти. Организованную таким образом память принято называть памятью с произвольным доступом.
Разрядность ячеек памяти (количество битов в ячейке) у компьютеров разных поколений была различной. Основой оперативной памяти современных компьютеров является восьмибитная ячейка. Ячейка такой разрядности может быть использована для работы с одним символом. Для хранения чисел используется несколько последовательных ячеек (четыре — в случае 32-битного числа).
На современных компьютерах может одновременно извлекаться из памяти и одновременно обрабатываться до 64 разрядов (т. е. до восьми байтовых (восьмибитных) ячеек). Это возможно благодаря реализации на них принципа параллельной обработки данных — одновременного (параллельного) выполнения нескольких действий.
Можно выделить два основных требования, предъявляемых к памяти компьютера:
1) объём памяти должен быть как можно больше;
2) время доступа к памяти должно быть как можно меньше.Создать запоминающее устройство, одновременно удовлетворяющее двум этим требованиям, затруднительно. Действительно, в памяти большого объёма требуемые данные искать сложнее, в результате чего их чтение замедляется. Для ускорения чтения нужно использовать более сложные технические решения, что неизбежно приводит к повышению стоимости всего компьютера. Решение проблемы — использование нескольких различных видов памяти, связанных друг с другом. В этом и состоит суть принципа иерархической организации памяти.
Трудности физической реализации запоминающего устройства высокого быстродействия и большого объёма требуют иерархической организации памяти.
В современных компьютерах используются устройства памяти нескольких уровней, различающиеся по своим основным характеристикам: времени доступа, сложности, объёму и стоимости. При этом более высокий уровень памяти меньше по объёму, быстрее и имеет большую стоимость в пересчёте на байт, чем более низкий уровень. Уровни иерархии взаимосвязаны: все данные на одном уровне могут быть также найдены на более низком уровне.
Большинство алгоритмов обращаются в каждый промежуток времени к небольшому набору данных, который может быть помещён в более быструю, но дорогостоящую и поэтому небольшую память. Использование более быстрой памяти увеличивает производительность вычислительного комплекса.
Главное отличие компьютеров от всех других технических устройств — это программное управление их работой.
Принцип программного управления определяет общий механизм автоматического выполнения программы.
Все вычисления, предусмотренные алгоритмом решения задачи, должны быть представлены в виде программы, состоящей из последовательности команд. Команды представляют собой закодированные управляющие слова, в которых указывается:
• какое выполнить действие;
• из каких ячеек считать операнды (данные, участвующие в операции);
• в какую ячейку записать результат операции.Команды, входящие в программу, выполняются процессором автоматически в определённой последовательности. При этом выполняется следующий цикл действий:
1) чтение команды из памяти и её расшифровка;
2) формирование адреса очередной команды;
3) выполнение команды.Этот цикл повторяется до достижения команды, означающей окончание выполнения программы, решающей некоторую конкретную задачу. В современных компьютерах по завершении работы программы управление передаётся операционной системе.
7.2. Архитектура персонального компьютера
Современные персональные компьютеры различаются по своим размерам, конструкции, разновидностям используемых микросхем и модулей памяти, другим характеристикам. В то же время все они имеют единое функциональное устройство, единую архитектуру — основные узлы и способы взаимодействия между ними (рис. 2.7).
Архитектура — это наиболее общие принципы построения компьютера, отражающие программное управление работой и взаимодействием его основных функциональных узлов.
На рисунке 2.7 изображены хорошо известные вам узлы современного компьютера:
процессор,
внутренняя память,
устройства ввода,
устройства вывода и внешняя память.![]()
Рис. 2.7. Функциональная схема компьютера (К — контроллер)
Обмен данными между устройствами компьютера осуществляется с помощью магистрали.
Магистраль (шина) — устройство для обмена данными между устройствами компьютера.Магистраль состоит из трёх линий связи:
• шины адреса, используемой для указания физического адреса, к которому устройство может обратиться для проведения операции чтения или записи;
• шины данных, предназначенной для передачи данных между узлами компьютера;
• шины управления, по которой передаются сигналы, управляющие обменом информацией между устройствами и синхронизирующие этот обмен.В компьютерах, имевших классическую фон-неймановскую архитектуру, процессор контролировал все процессы ввода/вывода. При этом быстродействующий процессор затрачивал много времени на ожидание результатов работы от значительно более медленных внешних устройств. Для повышения эффективности работы процессора были созданы специальные электронные схемы, предназначенные для обслуживания устройств ввода/вывода или внешней памяти.
Контроллер — это специальный микропроцессор, предназначенный для управления внешними устройствами: накопителями, мониторами, принтерами и т. д.
Благодаря контроллерам данные по магистрали могут передаваться между внешними устройствами и внутренней памятью напрямую, минуя процессор. Это приводит к существенному снижению нагрузки на центральный процессор и повышает эффективность работы всей вычислительной системы.
Современные компьютеры обладают магистрально-модульной архитектурой, главное достоинство которой заключается в возможности легко изменить конфигурацию компьютера путём подключения к шине новых или замены старых внешних устройств.
Если спецификация на шину (детальное описание всех её параметров) является открытой (опубликованной), то производители могут разработать и предложить пользователям разнообразные дополнительные устройства для компьютеров с такой шиной. Подобный подход называют принципом открытой архитектуры. Благодаря ему пользователь может собрать именно такую компьютерную систему, которая ему нужна.
7.3. Перспективные направления развития компьютеров
Мир современных компьютеров необычайно разнообразен. Кроме микропроцессоров, встраиваемых во всевозможные устройства, и разных типов персональных компьютеров существуют значительно более мощные вычислительные системы.
Это серверы в глобальной компьютерной сети, управляющие её работой и хранящие огромные объёмы информации.
Это многопроцессорные системы параллельной обработки данных, обеспечивающие:
• сокращение времени решения вычислительно сложных задач;
• сокращение времени обработки больших объёмов данных;
• решение задач реального времени;
• создание систем высокой надёжности.Время однопроцессорных вычислительных систем прошло. Не только суперкомпьютеры, но и современные персональные компьютеры, ноутбуки, игровые приставки основаны на многопроцессорных, многоядерных и других технологиях, предполагающих одновременное выполнение множества инструкций.
В наши дни электронная техника уже подошла к предельным значениям своих технических характеристик, которые определяются физическими законами. Поэтому идёт поиск неэлектронных средств хранения и обработки данных, ведутся работы по созданию квантовых и биологических компьютеров, проводятся исследования в области нанотехнологий.
САМОЕ ГЛАВНОЕ
В каждой области науки и техники существуют фундаментальные идеи или принципы, определяющие на многие годы вперёд её содержание и направление развития. В компьютерных науках роль таких фундаментальных идей сыграли принципы, сформулированные независимо друг от друга двумя крупнейшими учёными XX века — Джоном фон Нейманом и Сергеем Алексеевичем Лебедевым.
К основополагающим принципам построения компьютеров (принципам Неймана-Лебедева) можно отнести следующие:
1) состав основных компонентов вычислительной машины;
2) принцип двоичного кодирования;
3) принцип однородности памяти;
4) принцип адресности памяти;
5) принцип иерархической организации памяти;
6) принцип программного управления.Архитектура — это наиболее общие принципы построения компьютера, отражающие программное управление работой и взаимодействием его основных функциональных узлов.
Классическая архитектура компьютеров первых поколений предполагала осуществление взаимодействия всех устройств через процессор и наличие неизменного набора внешних устройств.
Современные персональные компьютеры обладают открытой магистрально-модульной архитектурой — устройства взаимодействуют через шину, что способствует оптимизации процессов обмена информацией внутри компьютера. Второе преимущество современной архитектуры — возможность легко изменить конфигурацию компьютера путём подключения к шине новых или замены старых внешних устройств.
Вопросы и задания
1. Перечислите основные фундаментальные идеи, лежащие в основе построения компьютеров.
2. Какие устройства принято выделять в компьютерах классической архитектуры? Сравните их с устройством машины Беббиджа.
3. Чем обусловлен выбор двоичного кодирования для представления информации в компьютере?
4. Как вы понимаете утверждение «Одно и то же значение ячейки памяти в зависимости от способа обращения к нему может использоваться и как данные, и как команда»?
5. В чём состоит суть принципа адресности памяти?
6. Почему в современных компьютерах используются устройства памяти нескольких уровней, различающиеся по времени доступа, сложности, объёму и стоимости?
7. В чём состоит суть принципа программного управления?
9. Для чего предназначена магистраль (шина)? Из каких частей она состоит?
10. Что такое магистрально-модульная архитектура? В чём её главное достоинство?
Первая счетная машина, которую с натяжкой можно назвать компьютером, была изобретена в 1922 году профессором-математиком из Англии Чарльзом Бэббиджем. Под руководством Говарда Эйкснома четыре специалиста из компании IBM приступили в 1941 году к созданию ЭВМ под названием «Марк-1». За алгоритм действий взяли схему вычислений Чарльза Бэббиджа.
Современный социум настолько зависим от компьютерных технологий, что невозможно себе представить, как люди жили раньше. Причём самый первый компьютер в мире появился относительно недавно, в середине ХХ века. Прототипы абсолютно не схожи с нынешними устройствами.
ЭВМ были громоздкими, а некоторые занимали по несколько аппаратных комнат. Но даже крупные размеры и примитивные вычисления заставляли население планеты восторгаться техническим открытием. Никто не подозревал, что это был прорыв в мир информатики. Кто же стал пионером в индустрии программного обеспечения и какие функции выполняли первые машины?
Машина Чарльза Бэббиджа
Английский профессор математики и изобретатель Чарльз Бэббидж был одержим вычислительными науками. Ещё в молодости 21-летний учёный впервые задумался о вычислительной машине, а это был 1812 год. На основании многолетних трудов по совершенствованию вычислительных таблиц он придумал механизм, который бы свободно производил сложения разностным методом. Так появилась разностная машина. К 1822 году Чарльз собрал свою первую, Малую разностную машину. Аппарат, состоящий из множества шестерёнок, был представлен Королевскому Астрономическому обществу.
Чарльз Бэббидж был слабым в юношестве, при этом он увлекался паранормальными явлениями и неоднократно пытался установить контакт с потусторонним миром.
К 1854 году математик сумел создать несколько аналогичных разностных машин и даже одну из них продал. Затем он принялся за разработку аналитической машины, работа которой была основана на металлических числовых перфокартах. Но довести дело до конца он не смог. Не хватило финансирования. Остатки жизни учёный посвятил философии и скончался в 79 лет.
История создания компьютера «Марк-1»
Первая ЭВМ, которую можно назвать компьютером, была создана американскими учёными математиками из Гарвардского университета. Под руководством Говарда Эйкснома четыре специалиста из компании IBM приступили в 1941 году к созданию ЭВМ. За алгоритм действий взяли схему вычислений Чарльза Бэббиджа. В конце лета 1944 года учёные продемонстрировали работу своего изобретения. Компьютеру было присвоено название «Марк 1», состоящее из букв имён создателей. Аппарат остался в Гарварде и успешно эксплуатировался.
На создание «Марк 1» была затрачена баснословная по тем временам сумма $500 000. Для размещения всех узлов и элементов был создан специальный 17-метровый корпус из стекла и нержавеющих перекрытий. Высота сооружения составила 2,5 метра. Масса компьютера оценивалась в 5 тонн. В целом «Марк 1» насчитывал 765 000 узлов и деталей. Для соединения контактов были использованы провода общей протяжённостью 800 километров.
Первая советская модель
К середине ХХ века СССР был измождён Второй мировой войной, но отставать от Запада он не хотел. Советскими учёными и инженерами велись работы над отечественной ЭВМ. За 5 послевоенных лет удалось разработать и запустить устройство с названием «Малая электронная счётная машина» (МЭСМ). Аппарат уместился на площади 60 м². Он состоял из 6 тыс. ламп и потреблял мощность 25 кВт. Фото первого компьютера СССР удивило Западную Европу, так как таких машин там ещё не было.
МЭСМ выполняла около 3 тыс. вычислительных операций в секунду. Изначально советская ЭВМ поступила в распоряжение учёных для исчисления сложных задач. Через пару лет МЭСМ перевели в статус учебного пособия. А в 1959 году машину демонтировали. Дело в том, что уже в 1952 году советские учёные выпустили более совершенную модель компьютера — Большая электронная счетная машина (БЭСМ). В новой версии увеличили количество ламп до 12 тыс. Как следствие, выросло число операций, до 10 тыс. за 1 секунду.
Всем спасибо!
Ставьте лайки, если статья вам понравилась, подписывайтесь на канал, у нас еще много удивительных фактов. Задавайте вопросы в комментариях и делитесь статьей в соц. сетях.
Читайте также:
