Принципы устройства компьютера 10 класс

Обновлено: 03.07.2024

Презентация на тему: " К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, 2013 1 Устройство компьютера § 32. Принципы устройства компьютеровПринципы устройства компьютеров § 33. Магистрально-модульная." — Транскрипт:

1 К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, Устройство компьютера § 32. Принципы устройства компьютеров Принципы устройства компьютеров § 33. Магистрально-модульная организация компьютера Магистрально-модульная организация компьютера

2 К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, Устройство компьютера § 32. Принципы устройства компьютеров 2

3 Устройство компьютера, 10 класс К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, Принципы устройства компьютеров 3 А. Беркс, Г. Голдстайн и Дж. фон Нейман: «Предварительное рассмотрение логической конструкции электронного вычислительного устройства» (1946) состав основных компонентов вычислительной машины принцип двоичного кодирования принцип адресности памяти принцип иерархической (многоуровневой) организации памяти принцип хранимой программы принцип программного управления

4 Устройство компьютера, 10 класс К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, Архитектура фон Неймана 4 Джон фон Нейман ( ) процессор (АЛУ, УУ) внешняя память устройства ввода устройства вывода внутренняя память обрабатывает данные обеспечивает выполнение программы временное хранение данных во время обработки долговременное хранение данных

5 Устройство компьютера, 10 класс К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, Принцип двоичного кодирования 5 Все данные хранятся в двоичном коде. Lorem ipsum dolor sit amet, consectetur adipisicing elit, sed do eiusmod tempor incididunt ut labore et dolore magna aliqua … проще устройства для хранения и обработки данных Троичная ЭВМ «Сетунь» (1959) Н.П. Брусенцов

6 Устройство компьютера, 10 класс К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, Принцип адресности памяти 6 оперативная память состоит из отдельных битов группы соседних битов объединяется в ячейки каждая ячейка имеет свой адрес (номер) нумерация ячеек начинается с нуля за один раз можно прочитать или записать только целую ячейку

7 Устройство компьютера, 10 класс К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, Принцип адресности памяти числа A B символычисла Первые ЭВМ (I и II поколения)III и IV поколения размеры ячеек: у первых ЭВМ – 36, 48, 60 битов сейчас – 8 битов

8 Устройство компьютера, 10 класс К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, Память с произвольным доступом 8 RAM = Random Access Memory чтение данных из ячеек и запись в них в произвольном порядке ОЗУ – оперативное запоминающее устройство (оперативная память) ПЗУ – постоянное запоминающее устройство ROM = Read Only Memory содержит программное обеспечение для загрузки и тестирования компьютера запись запрещена

9 Устройство компьютера, 10 класс К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, Иерархическая организация памяти 9 Требования к памяти: большой объём высокая скорость доступа Эти требования противоречивы ! ! Использование несколько уровней памяти: внутренняя память (небольшой объём, высокое быстродействие) внешняя память (большой объём, низкое быстродействие) …

10 Устройство компьютера, 10 класс К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, Принцип хранимой программы Фрагмент коммутационной панели IBM-557 Программа хранится в единой памяти вместе с данными ! ! Код программы хранится в ПЗУ или во внешней памяти и загружается в ОЗУ для решения задач. В гарвардской архитектуре есть отдельные области памяти для программ и данных!

11 Устройство компьютера, 10 класс К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, Принцип программного управления 11 программа – это набор команд команды выполняются процессором автоматически в определённом порядке А как? ? Счётчик адреса команд – это регистр процессора, в котором хранится адрес следующей команды. IP (Instruction Pointer) в процессорах Intel

12 Устройство компьютера, 10 класс К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, Основной алгоритм работы процессора 12 1)выбрать команду 2)записать в счётчик команд адрес следующей команды 3)выполнить команду 4)перейти к п. 1 Что будет при включении компьютера? ? Начальный адрес может заноситься вручную (в первых ЭВМ) из ПЗУ, аппаратно (тестирование, потом передача управления загрузчику операционной системы)

13 Устройство компьютера, 10 класс К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, Что такое архитектура? 13 Архитектура компьютера – это общие принципы построения конкретного семейства компьютеров (PDP, ЕС ЭВМ, Apple, IBM PC, …). принципы построения системы команд и их кодирования форматы данных и особенности их машинного представления алгоритм выполнения команд программы способы доступа к памяти и внешним устройствам возможности изменения конфигурации оборудования К архитектуре НЕ относятся особенности конкретного компьютера: набор микросхем, тип жёсткого диска, ёмкость памяти, тактовая частота и т.д.

14 К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, Устройство компьютера § 33. Магистрально-модульная организация компьютера 14

15 Устройство компьютера, 10 класс К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, Типы компьютеров 15 настольные (desktop) переносные (ноутбуки) нетбуки (нет привода DVD) моноблок

16 Устройство компьютера, 10 класс К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, Типы компьютеров 16 планшетные смартфоны и карманные персональные компьютеры (КПК)

17 Устройство компьютера, 10 класс К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, Типы компьютеров 17 суперкомпьютеры «Ломоносов»

18 Устройство компьютера, 10 класс К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, Взаимодействие устройств 18 устройства ввода КК внешняя память внешняя память процессор (АЛУ, УУ) процессор (АЛУ, УУ) внутренняя память внутренняя память К устройства вывода шина адреса шина данных шина управления Шина (или магистраль) – это группа линий связи для обмена данными между несколькими устройствами компьютера.

19 Устройство компьютера, 10 класс К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, Контроллеры 19 Контроллер это электронная схема для управления внешним устройством и простейшей предварительной обработки данных. устройство К шина адреса шина данных шина управления контроллер клавиатуры контроллер диска сетевая карта видеокарта

20 Устройство компьютера, 10 класс К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, Архитектура современных компьютеров 20 Магистрально-модульная архитектура: набор устройств (модулей) легко расширяется путём подключения к шине (магистрали). Принцип открытой архитектуры (IBM): спецификация на шину (детальное описание всех параметров) опубликована производители могут выпускать новые совместимые устройства на материнской плате есть стандартные разъёмы нужны драйвера (программы управления) для каждого устройства

21 Устройство компьютера, 10 класс К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, Обмен данными с внешними устройствами 21 Программно-управляемый обмен – все операции ввода и вывода предусмотрены в программе, их полностью выполняет процессор. простота не нужно дополнительное оборудование процессор долго ждёт медленные устройства Идея: пусть устройство само сообщит, что данные готовы (или оно готово к приёму данных)! !

22 Устройство компьютера, 10 класс К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, Обмен данными с внешними устройствами 22 Обмен по прерываниям – внешнее устройство передаёт процессору запрос на обслуживание (прерывание). процессор прерывает выполнение программы и … переходит на программу обработки прерывания и … возвращается к прерванной программе процессор не ждёт устройства всю работу выполняет процессор Контроллер прерываний – использует приоритет различных типов прерываний

23 Устройство компьютера, 10 класс К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, Обмен данными с внешними устройствами 23 Прямой доступ к памяти (ПДП) DMA = Direct Memory Access обмен данными выполняет внешнее устройство по команде центрального процессора. процессор готовит обмен: программирует контроллер ПДП контроллер ПДП пересылает данные процессор загружен минимально сложность (нужен контроллер ПДП)

Описание слайда:

Глава 2. Компьютер и его ПО
§ 7. Основополагающие принципы устройства ЭВМ

Описание слайда:

Принципы Неймана-Лебедева
Фундаментальные идеи (принципы) компьютерных наук независимо друг от друга сформулировали Джон фон Нейман и Сергей Алексеевич Лебедев.

Принцип – основное, исходное положение какой-нибудь теории, учения, науки и пр.

Описание слайда:

Основоположники ЭВМ
Джон фон Нейман (1903-1957) –американский учёный, сделавший важный вклад в развитие 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) – главный конструктор первой отечественной вычислительной машины МЭСМ, автор проектов компьютеров серии БЭСМ (Большая Электронная Счётная Машина), и принципиальных положений компьютера «Эльбрус».

Описание слайда:

Принципы Неймана-Лебедева
Сформулированные в середине прошлого века, базовые принципы построения ЭВМ не утратили свою актуальность и в наши дни.
состав основных компонентов вычислительной машины
принцип двоичного кодирования
принцип однородности памяти
принцип адресности памяти
принцип иерархической организации памяти
принцип программного управления
1
2
3
4
5
6

Описание слайда:

Функциональная схема
Устройство, способное производить автоматические вычисления, должно иметь набор компонентов: блок обработки данных, блок управления, блок памяти, блоки ввода/вывода информации.

Описание слайда:

Состав компонентов
Процессор – информационный центр. Управляет всеми процессами и пропускает через себя все информационные потоки.
Составные блоки процессора:

арифметико-логическое устройство (АЛУ) выполняет обработку данных
устройство управления (УУ) обеспечивает выполнение программы и организует согласованное взаимодействие всех узлов компьютера

Описание слайда:

Принцип двоичного кодирования
Вся информация, предназначенная для обработки на компьютере (числа, тексты, звуки, графика, видео), а также программы её обработки, представляются в виде двоичного кода.
Выбор двоичной системы счисления обусловлен:
простотой выполнения арифметических операций в двоичной системе счисления
«согласованностью» с булевой логикой
простотой технической реализации

Описание слайда:

Принцип однородности памяти
Команды программ и данные хранятся в одной и той же памяти. Команды и данные отличаются только по способу использования. Это утверждение называют принципом однородности памяти.
Ячейка
Сегмент
Сегмент
Сегмент
Сегмент
Память
Принцип однородности памяти

Описание слайда:

Принцип адресности памяти
Команды и данные размещаются в единой памяти, состоящей из ячеек, имеющих свои номера (адреса). Это принцип адресности памяти.

Описание слайда:

Принцип иерархичности памяти
Можно выделить два основных требования, предъявляемых к памяти компьютера:
объём памяти должен быть как можно больше
время доступа к памяти должно быть как можно меньше
В современных компьютерах используются устройства памяти нескольких уровней, различающиеся по своим основным характеристикам: времени доступа, сложности, объёму и стоимости.

Описание слайда:

Принцип иерархичности памяти
Трудности физической реализации запоминающего устройства высокого быстродействия и большого объёма требуют иерархической организации памяти.
Медленно
…
Быстро
Время доступа
Дорого
…
Дешево

Мало
…
Много
Объем памяти
Уровни иерархии взаимосвязаны: все данные на одном уровне могут быть также найдены на более низком уровне.

Описание слайда:

Принцип программного управления
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
Принцип программного управления определяет общий механизм автоматического выполнения программы.

Описание слайда:

Принцип программного управления
да
нет
Чтение и расшифровка команды
Формирование адреса очередной команды
Выполнение команды
Программа завершена?
Передать управление операционной системе

Описание слайда:

Архитектура компьютера
Архитектура – это общие принципы построения компьютера, отражающие программное управление работой и взаимодействие его основных узлов.

Описание слайда:

Архитектура компьютера
Магистраль (шина) - устройство для обмена данными между устройствами компьютера.
Шина адреса
Шина управления
Шина данных
Процессор (АЛУ, УУ)
Память
(ОЗУ, ПЗУ)
Устройства ввода
Устройства вывода
Внешняя
память
к
к
к
По шине управления передаются сигналы, управляющие обменом информацией между устройствами и синхронизирующие этот обмен.
Контроллер – специальный микропроцессор для управления внешними устройствами.

Описание слайда:

Архитектура компьютера
Данные между внешними устройствами по магистрали передаются напрямую
Существенное снижение нагрузки на центральный процессор
Повышение эффективности работы всей вычислительной системы
Современные компьютеры обладают магистрально-модульной архитектурой, главное достоинство которой заключается в возможности легко изменить конфигурацию.

Описание слайда:

Направления развития
Электронная техника подошла к предельным значениям своих тех-нических характеристик, которые определяются физическими законами
Поиск неэлектронных средств хранения и обработки данных. Создание квантовых и биологических компьютеров
НАНОТЕХНОЛОГИИ

Описание слайда:

Самое главное
Независимо друг от друга Джон фон Нейман и Сергей Алексеевич Лебедев сформулировали основополагающие принципы построения компьютеров:
состав основных компонентов вычислительной машины;
принцип двоичного кодирования;
принцип однородности памяти;
принцип адресности памяти;
принцип иерархической организации памяти;
принцип программного управления.

Описание слайда:

Самое главное
Архитектура – это общие принципы построения компьютера, отражающие программное управление работой и взаимодействие его основных функциональных узлов. Архитектура первых компьютеров предполагала взаимодействие всех устройств через процессор и наличие неизменного набора внешних устройств.
Современные компьютеры обладают открытой магистрально-модульной архитектурой – устройства взаимодействуют через шину, что способствует оптимизации процессов внутреннего обмена информацией.
Современная архитектура позволяет легко изменить конфигурацию компьютера путём подключения к шине новых или замены старых внешних устройств.

Если Вы считаете, что материал нарушает авторские права либо по каким-то другим причинам должен быть удален с сайта, Вы можете оставить жалобу на материал.

На уроке рассматриваются основные устройства системного блока компьютера и их главные характеристики.

Вложение	Размер
Презентация к уроку	694 КБ
Конспект урока	137.5 КБ
Индивидуальная работа обучающихся	41.5 КБ
Групповая работа обучающихся	24.5 КБ

Предварительный просмотр:

Подписи к слайдам:

Предварительный просмотр:

Intel Celeron 2400MHz
AMD Phenom 2.4 GHz
Athlon 64 2.7 GHz
Intel Pentium5 2.8 GHz

DDR SDRAM 512 Mb
DDR SDRAM 256 Mb
DDR SDRAM 1024 Mb
DDR SDRAM 1 Gb

HDD 80 Hitachi
HDD 160 SEAGATE
HDD 250 SEAGATE
HDD 500 Hitachi

PCI-E Asus 128 Mb
PCI-E Asus 512 Mb
Leadtek PCI-E 256 Mb
Leadtek PCI-E 64 Mb

CD-ROM 52-x Asus
DVD-ROM
DVD + CD-RW
DVD + RW

По теме: методические разработки, презентации и конспекты

Урок по теме "«Компьютеры: Друзья или недруги» 10 класс

Урок разработан с применением Смарт доскиУМК“New Millennium English 10” О.Л. Гроза и др. .

Презентация к уроку "Устройство персонального компьютера"

В презентации представлено устройство персонального компьютера, более подробно рассмотрена комплектация состемного блока.Ксожалению режим предварительного просмотра не отображает в полной мере с.

урок - игра "Сборка компьютера"

Методическая разработка урока в форме игры.

План-конспект урока. "Программное обеспечение компьютера"

Урок разработан с использованием цифровых и электронных образовательных ресурсов. Преимуществом урока является наличие в конспекте активных гиперссылок к необходимым электронно образовательным ресурса.

Урок-путешествие по Компьютеру

Ребята любят путешествовать, отгадывать, работать с различными источниками информации, работать в группах, соревноваться.

Разработка урока по теме "Компьютер как универсальное устройство обработки информации"

Компьютер, как универсальное устройство обработки информации.

план-конспект урока информатики "Устройство компьютера"

план-конспект урока информатики с использованием ЭОР "Устройство компьютера".

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

К основополагающим принципам построения компьютеров (принципам Неймана-Лебедева) можно отнести следующие:

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?

Читайте также: