Что такое устройство эвм
Устройство и принцип действия ЭВМ
ЭВМ – это комплекс технических средств, предназначенных для автоматической обработки информации.
Процессор осуществляет процесс обработки данных и управляет работой машины. В состав процессора входят: Устройство управления (УУ) – формирует адрес очередной микрокоманды, Арифметико – логическое устройство (АЛУ) – выполняет арифметические и логические операции над данными. Регистры общего назначения (РОН) – для хранения промежуточных результатов. КЕШ – память служит для повышения быстродействия процессора. Системная шина обеспечивает взаимодействие всех узлов между собой. Память предназначена для записи, хранения, выдачи команд и обрабатываемых данных.
Основная память (ОП) – предназначена для хранения и оперативного обмена информацией с прочими блоками машины.
Внешняя память (ВЗУ) предназначена для долговременного хранения больших объемов информации и обмена ею с ОЗУ. Во внешней памяти хранится все программное обеспечение ПК. Для ее построения используют энергонезависимые носители. Емкость памяти практически не ограничена, но для обращения к ней требуется больше времени, чем к внутренней. Конструктивно ВЗУ отделены от процессора и внутренней памяти, имеют собственное управление.
Внешние устройства: устройства ввода информации: клавиатура, сканеры (читающие автоматы), графические планшеты (для ручного ввода графической информации), манипуляторы (устройства указания) – мышь, джойстик, трекбол, световое перо, сенсорные экраны. устройства вывода информации: принтеры – печатающие устройства для регистрации информации на бумажный носитель, графопостроители (плоттеры) – для вывода графической информации из ПК на бумажный носитель, акустические колонки – для вывода звуковой информации. Модем выполняет функции устройств ввода и вывода информации. Он позволяет соединиться с другим удаленным компьютером с помощью телефонных линий связи и обмениваться информацией между ЭВМ.
Основные принципы действия ЭВМ I. Принцип программного управления последовательностью вычислений. II. Принцип хранимой в памяти программы. Перед решением задачи на ЭВМ программа и исходные данные помещаются в ее память. Предварительно управляющая программа загружается в ОЗУ. ОЗУ содержит некоторое число ячеек, каждая их которых служит для хранения машинного слова. Ячейки нумеруются, номер ячейки называется адресом.
Команды программы в цифровом виде хранятся в памяти наравне с числами. В команде указываются не сами участвующие в операции числа, а адреса ячеек ОП, в которых находятся числа и помещаются результат операций.
В ОЗУ выполняются операции считывания хранимой информации для передачи в другие устройства и записи информации, поступающей из других устройств. При считывании слова из ячейки содержимое последней не меняется и при необходимости слово может быть снова взято из той же ячейки. При записи хранившееся в ячейке слово стирается и его место занимает новое.
При выполнении загруженной программы ЭВМ запрашивает у пользователя необходимые данные и процессор после выполнения указанных в программе команд отправляет результат по системной шине на устройство вывода. Внешняя память сравнительно медленно действует, но способна хранить больший объем информации, чем ОЗУ.
Непосредственно в вычислительном процессе участвует только оперативная память, и лишь после окончания отдельных этапов вычислений из внешней памяти в оперативную передается информация, необходимая для следующего этапа решения задачи. Перед окончанием работы информация из ОЗУ переписывается в ВЗУ, а перед возобновлением работы из ВЗУ переписывается обратно в ОЗУ. Наиболее прогрессивным режимом работы компьютера является диалоговый режим. Выполнение основной программы иногда может приостанавливаться с целью выполнения другого срочного задания. Такой режим работы называется прерыванием. По завершению обслуживания прерывания процессор возвращается к выполнению временно отложенной программы. Прерывание – временный останов выполнения одной программы в целях оперативного выполнения другой, в данный момент более важной (приоритетной) программы. Процессор все время что-то делает, но в то же время ждет внешних прерываний. Систему прерываний (диалог) обеспечивает операционная система.
Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет
21. ЭВМ. Понятие. Основные характеристики и архитектура. История создания вычислительных машин. Поколения ЭВМ. Области применения и классификация ЭВМ.
Под пользователем понимают человека, в интересах которого проводится обработка данных на ЭВМ.
К основным характеристикам ЭВМ относятся:
Сравнение по быстродействию различных типов ЭВМ, не обеспечивает достоверных оценок. Очень часто вместо характеристики быстродействия используют связанную с ней характеристику производительность.
Применяются также относительные характеристики производительности. Фирма Intel для оценки процессоров предложила тест, получивший название индекс iCOMP (Intel ComparativeMicroprocessor Performance). При его определении учитываются четыре главных аспекта производительности: работа с целыми числами, с плавающей запятой, графикой и видео. Данные имеют 16- и 32-разрядной представление. Каждый из восьми параметров при вычислении участвует со своим весовым коэффициентом, определяемым по усредненному соотношению между этими операциями в реальных задачах.
Емкость запоминающих устройств. Емкость памяти измеряется количеством структурных единиц информации, которое может одновременно находится в памяти. Этот показатель позволяет определить, какой набор программ и данных может быть одновременно размещен в памяти.
Емкость оперативной памяти (ОЗУ) и емкость внешней памяти (ВЗУ) характеризуются отдельно. Этот показатель очень важен для определения, какие программные пакеты и их приложения могут одновременно обрабатываться в машине.
Высокая надежность ЭВМ закладывается в процессе ее производства. Применеие сверхбольшие интегральные схемы (СБИС) резко сокращают число используемых интегральных схем, а значит, и число их соединений друг с другом. Модульный принцип построения позволяет легко проверять и контролировать работу всех устройств, проводить диагностику и устранение неисправностей.
Точность получения результатов обработки в основном определяется разрядностью ЭВМ, а также используемыми структурными единицами представления информации (байтом, словом, двойным словом).
Достоверность характеризуется вероятностью получения безошибочных результатов. Заданный уровень достоверности обеспечивается аппаратурно-программными средствами контроля самой ЭВМ. Возможны методы контроля достоверности путем решения эталонных задач и повторных расчетов. В особо ответственных случаях проводятся контрольные решения на других ЭВМ и сравнение результатов.
Обобщенная структура ЭВМ
Структуру ЭВМ определяет следующая группа характеристик:
· технические и эксплуатационные характеристики ЭВМ (быстродействие и производительность, показатели надежности, достоверности, точности, емкость оперативной и внешней памяти, габаритные размеры, стоимость технических и программных средств, особенности эксплуатации т.д.);
· характеристики и состав функциональных модулей базовой конфигурации ЭВМ; возможность расширения состава технических и программных средств; возможность изменения структуры;
· состав программного обеспечения ЭВМ и сервисных услуг (операционная система или среда, пакеты прикладных программ, средства автоматизации программирования).
Поколения эвм
В течение всего периода эволюции компьютерных систем прослеживается тенденция к повышению скорости обработки информации процессором, уменьшение физических размеров компонентов, росту объема памяти и повышению пропускной способности каналов ввода-вывода.
Не отрицая того факта, что одной из причин повышения производительности процессоров явился прогресс в области микроэлектроники, в частности миниатюризация электронных компонентов, все же отметим, что не меньшее, если не большее, влияние на этот процесс, особенно в последние годы, оказали новые идеи в отношении структурной организации процессора, в частности широкое использование принципов конвейерной и параллельной обработки и внедрение технологии предпочтительного выбора направления ветвления программы, т.е. выполнение условных переходов на основании прогнозных оценок еще до формирования условий перехода. Все эти идеи преследуют одну цель – максимально сократить время простоя процессора.
Важнейшей проблемой, с которой сталкивается любой конструктор компьютерных систем, является достижение баланса характеристик производительности отдельных компонентов системы, т.е. такой подбор компонентов, при котором ни один компонент не простаивает, дожидаясь, пока за ним «поспеют» другие. В частности, производительность процессора растет быстрее, чем быстродействие оперативной памяти. Конструктор имеет в своем арсенале множество методов, позволяющих свести на нет отрицательный эффект такого несоответствия, включая использование промежуточной кэш-памяти, расширение пропускной способности магистрали между процессором и памятью, применение элементов памяти с более сложной логической организацией.
Изложение материала начнем с краткого экскурса в историю развития вычислительной техники. Помимо познавательного интереса имеется еще и практический интерес к истории. Мы попытаемся, рассматривая процесс эволюции компьютерных систем, проследить за тем, как по мере совершенствования элементной базы менялись взгляды на структурную организацию и архитектуру ЭВМ.
Первые ЭВМ появились немногим более 50 лет назад. В соответствии с элементной базой и уровнем развития программных средств выделяют четыре поколения ЭВМ, краткая характеристика которых приведена в таблице:
Элементная база (для УУ, АЛУ)
Электронные (или электрические) лампы
Большие интегральные схемы (БИС)
Основные устройства ввода
Пульт, перфокарточный, перфоленточный ввод
Добавился алфавитно-цифровой дисплей, клавиатура
Алфавитно-цифровой дисплей, клавиатура
Цветной графический дисплей, сканер, клавиатура
Основные устройства вывода
Алфавитно-цифровое печатающее устройство (АЦПУ), перфоленточный вывод
Магнитные ленты, барабаны, перфоленты, перфокарты
Добавился магнитный диск
Перфоленты, магнитный диск
Магнитные и оптические диски
Ключевые решения в ПО
Универсальные языки программирования, трансляторы
Пакетные операционные системы, оптимизирующие трансляторы
Интерактивные операционные системы, структурированные языки программирования
Дружественность ПО, сетевые операционные системы
Персональная работа и сетевая обработка данных
Цель использования ЭВМ
Технические и экономические расчеты
Управление и экономические расчеты
Телекоммуникации, информационное обслуживание
ЭВМ первого поколения обладали небольшим быстродействием в несколько десятков тыс. оп./сек. Они были значительных размеров, потребляли большую мощность, имели невысокую надежность работы и слабое программное обеспечение.
Языков программирования как таковых еще не было, и для кодирования своих алгоритмов программисты использовали машинные команды или ассемблеры. Это усложняло и затягивало процесс программирования. К концу 50-х годов средства программирования претерпевают принципиальные изменения: осуществляется переход к автоматизации программирования с помощью универсальных языков и библиотек стандартных программ.
Второе поколение ЭВМ – это переход к транзисторной элементной базе, появление первых мини-ЭВМ. Один транзистор уже способен трудиться за 40 электронных ламп и при этом работать с большей скоростью, выделять очень мало тепла и почти не потреблять электроэнергию. Одновременно с процессом замены электронных ламп транзисторами совершенствовались методы хранения информации. Увеличился объем памяти, а магнитную ленту начали использовать как для ввода, так и для вывода информации. В середине 60-х годов получило распространение хранение информации на дисках.
Получает дальнейшее развитие принцип автономии – он реализуется уже на уровне отдельных устройств, что выражается в их модульной структуре. Устройства ввода-вывода снабжаются собственными устройствами управления (УУ) (называемыми контроллерами), что позволило освободить центральное УУ от управления операциями ввода-вывода. В ЭВМ 2-го поколения добавился алфавитно-цифровой дисплей, появилась клавиатура.
Принципиальным изменением в структуре ЭВМ стало добавление аппаратного блока обработки чисел в формате с плавающей запятой.
ЭВМ этого поколения создавались на основе принципа унификации, что позволило использовать вычислительные комплексы в различных сферах деятельности.
Расширение функциональных возможностей ЭВМ увеличило сферу их применения, что вызвало рост объема обрабатываемой информации и поставило задачу хранения данных в специальных базах данных и их ведения. Так появились первые системы управления базами данных – СУБД.
Изменились формы использования ЭВМ: введение удаленных терминалов (дисплеев) позволило широко и эффективно внедрить режим разделения времени и за счет этого приблизить ЭВМ к пользователю и расширить круг решаемых задач.
В конце 70-х годов развитие микроэлектроники привело к созданию возможности размещать на одном кристалле тысячи интегральных схем. Так появились большие интегральные схемы и 4-е поколение ЭВМ, для которого характерны создание серий недорогих микро-ЭВМ, разработка супер-ЭВМ для высокопроизводительных вычислений.
Наиболее значительным стало появление персональных ЭВМ, что позволило приблизить ЭВМ к своему конечному пользователю. Компьютеры стали широко использоваться неспециалистами, что потребовало разработки «дружественного» программного обеспечения. Возникают операционные системы, поддерживающие графический интерфейс, интеллектуальные пакеты прикладных программ. В связи с возросшим спросом на ПО совершенствуются технологии его разработки – появляются развитые системы программирования, инструментальные среды пользователя.
В середине 80-х стали бурно развиваться сети персональных компьютеров, работающие под управлением сетевых или распределенных ОС.
ЭВМ пятого поколения
Они будут основаны на принципиально новой элементной базе. Основным их качеством должен быть высокий интеллектуальный уровень, в частности, распознавание речи, образов. Это требует перехода от традиционной фон-неймановской архитектуры компьютера к архитектурам, учитывающим требования задач создания искусственного интеллекта.
Таким образом, для компьютерной грамотности необходимо понимать, что на данный момент создано четыре поколения ЭВМ:
Пятое поколение ЭВМ строится по принципу человеческого мозга, управляется голосом. Соответственно, предполагается применение принципиально новых технологий. Огромные усилия были предприняты Японией в разработке компьютера 5-го поколения с искусственным интеллектом, но успеха они пока не добились.
Фирма IBM тоже не намерена сдавать свои позиции мирового лидера, например, Японии. Мировая гонка за создание компьютера пятого поколения началась еще в 1981 году. С тех пор еще никто не достиг финиша. Поживем – увидим.
Основные области применения эвм различных классов
В соответствии с Законом Мура основные характеристики компьютеров улучшаются приблизительно в 2 раза каждые 2 года. В этих условиях любая предложенная классификация ЭВМ очень быстро устаревает и нуждается в корректировке. Например, в классификациях десятилетней давности широко использовались названия мини-, миди- и микроЭВМ, которые почти исчезли из обихода.
Существуют три глобальные сферы деятельности человека, которые требуют использования качественно различных типов ЭВМ:
1. Применение ЭВМ для автоматизации вычислений. Научно-техническая революция во всех областях науки и техники постоянно выдвигает новые научные, инженерные, экономические задачи, которые требуют проведения крупномасштабных вычислений (задачи проектирования новых образцов техники, моделирования сложных процессов, атомная и космическая техника и др.). Отличительной особенностью этого направления является наличие хорошей математической основы, заложенной развитием математических наук и их приложений. Первые, а затем и последующие вычислительные машины классической структуры в первую очередь и создавались для автоматизации вычислений.
Одновременно со структурными изменениями ЭВМ происходило и качественное изменение характера вычислений. Доля чисто математических расчетов постоянно сокращалась, и в настоящее время она составляет около 10% от всех вычислительных работ. Машины все больше стали использоваться для новых видов обработки: текстов, графики, звука и др.
2. Применение ЭВМ в системах управления. Это направление родилось примерно в 60-е годы, когда ЭВМ стали интенсивно внедряться в контуры управления автоматических и автоматизированных систем. Новое применение вычислительных машин потребовало видоизменения их структуры. ЭВМ, используемые в управлении, должны были не только обеспечивать вычисления, но и автоматизировать сбор данных и распределение результатов обработки. Сопряжение с каналами связи потребовало усложнения режимов работы ЭВМ, сделало их многопрограммными и многопользовательскими.
3. Применение ЭВМ для решения задач искусственного интеллекта. Напомним, что задачи искусственного интеллекта предполагают получение не точного результата, а чаще всего осредненного в статистическом, вероятностном смысле. Примеров подобных задач много: задачи робототехники, доказательства теорем, машинного перевода текстов, планирования с учетом неполной информации, составления прогнозов, моделирования сложных процессов и явлений и т.д. Это направление все больше набирает силу. Во многих областях науки и техники создаются и совершенствуются базы данных и базы знаний, экспертные системы. Для технического обеспечения этого направления нужны качественно новые структуры ЭВМ с большим количеством вычислителей (ЭВМ или процессорных элементов), обеспечивающих параллелизм в вычислениях. По существу, ЭВМ уступают место сложнейшим вычислительным системам.
Уже это небольшое перечисление областей применения ЭВМ показывает, что для решения различных задач нужна соответственно и различная вычислительная техника. Поэтому рынок компьютеров постоянно имеет широкую градацию классов и моделей ЭВМ.
Классификация вычислительных систем
С развитием науки и техники постоянно выдвигаются новые крупномасштабные задачи, требующие выполнения больших объемов вычислений. Особенно эффективно применение суперЭВМ при решении задач проектирования, в которых натурные эксперименты оказываются дорогостоящими, недоступными или практически неосуществимыми. В этом случае ЭВМ позволяет методами численного моделирования получить результаты вычислительных экспериментов, обеспечивая приемлемое время и точность решения, т.е. решающим условием необходимости разработки и применения подобных ЭВМ является экономический показатель “производительность/стоимость”. Дальнейшее развитие суперЭВМ связывается с использованием направления массового параллелизма, при котором одновременно могут работать сотни и даже тысячи процессоров.
Большие эвм (mainframe)
Данные ЭВМ представляют собой многопользовательские машины с центральной обработкой, с большими возможностями для работы с базами данных, с различными формами удаленного доступа. Казалось, что с появлением быстропрогрессирующих персональных ЭВМ большие ЭВМ обречены на вымирание. Однако, они продолжают развиваться и выпуск их снова стал увеличиваться, хотя их доля в общем парке постоянно снижается. По оценкам IBМ, около половины всего объема данных в информационных системах мира должно храниться именно на больших машинах. Новое их поколение предназначено для использования в сетях в качестве крупных серверов. Большими ЭВМ комплектуются ведомственные, территориальные и региональные вычислительные центры. В России основными потребителями являются государственные организации и крупные компании федерального уровня, такие, как РЖД (система резервирования мест и продажи билетов) или АвтоВАЗ. В свое время мейнфреймы были единственной вычислительной платформой, способной обслуживать предприятия такого масштаба, и эта платформа активно развивалась. За рубежом мейнфрейм считается классическим решением для определенного круга задач, например, в финансовой сфере.
Средние ЭВМ используются для управления сложными технологическими производственными процессами, ЭВМ этого типа могут использоваться и для управления распределенной обработкой информации в качестве сетевых серверов, рабочих станций для работы с графикой. Существуют специальные ЭВМ, предназначенные в первую очередь для работы в финансовых структурах. В этих машинах особое внимание уделяется сохранности и безопасности данных.
Персональные и профессиональные ЭВМ, позволяют удовлетворять индивидуальные потребности пользователей. На базе этого класса ЭВМ также строятся автоматизированные рабочие места (АРМ) для специалистов различного уровня.
Что такое устройство эвм
Структура типовой ЭВМ.
В общем случае структуру вычислительной машины можно представить в следующем виде:
АЛУ – предназначено для выполнения арифметических и логических преобразований над данными определенной длины.
Как правило, данные, к которым может обращаться АЛУ находятся в ОП
ВЗУ – используется для долговременного хранения данных
УУ в своей работе руководствуется программой. Программа состоит из команд, каждая из которых, определяет какое либо действие и операнд. Программа в свою очередь основывается на алгоритме решения поставленной задачи.
Такой способ управления процессом решения задачи называется принципом программного управления.
Как правило, программы хранятся также в ОП наравне с данными. При этом перед выполнением программы собственно программа и данные должны быть помещены в ОП. Чаще всего это происходит через устройство ввода информации (клавиатура, диск). Команды выполняются в порядке следования в программе кроме команд перехода.
Устройства вывода служат для выдачи информации, результатов (например, на дисплей, принтер).
Решение задач с помощью ЭВМ представлено на рисунке:
Блок схема типовой ЭВМ.
Взаимосвязь аппаратных и программных средств ЭВМ.
Поскольку в основу принципа работы ЭВМ положен принцип программного управления, то это означает, что для решения задачи в ЭВМ используются средства двух видов: аппаратные и программные.
Структура системного программного обеспечения ЭВМ.
Пользователь не может напрямую общаться с аппаратными ресурсами. Эту задачу берет на себя ОС.
БЕЛОРУССКИЙ ИНСТИТУТ ПРАВОВЕДЕНИЯ
Дистанционное образование
А.И.Бородина, Л.И.Крошинская, О.Л.Сапун
ОСНОВЫ ИНФОРМАТИКИ
И ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ
Электронные вычислительные машины.
Персональные компьютеры
Минск
2004
БЕЛОРУССКИЙ ИНСТИТУТ ПРАВОВЕДЕНИЯ
А.И.Бородина, Л.И.Крошинская, О.Л.Сапун
И ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ
Электронные вычислительные машины.
Электронные вычислительные машины.
Персональные компьютеры
ТЕМАТИЧЕСКИЙ ПЛАН
краткая аннотация
Рассматриваются основы организации и функционирования ЭВМ. Дается описание основных элементов процесса вычислений. Приводится классификация ЭВМ по различным признакам. Рассматриваются вопросы классификации персональных ЭВМ, характеристика основных и дополнительных устройств персонального компьютера.
1. Организация
и основы функционирования ЭВМ
Среди всех изобретений человека трудно найти другое, развивающееся столь же динамично, как вычислительная техника. Конструкция вычислительной машины создавалась с учетом тех действий, которые выполняет человек при обработке информации. В самом деле, любому процессу вычислений, который производится человеком, свойственны следующие основные элементы: хранение информации, обработка информации, управление вычислительным процессом.
Хранение информации. Здесь под информацией подразумеваются исходные данные, промежуточные и окончательные результаты счета, а также формулы и способ счета, различного рода условия и т.п. Эта информация человеком частично запоминается, частично записывается на бумаге. Часть информации берется из различных справочников и таблиц. Память человека, бумага, справочники и таблицы являются различными видами запоминающих устройств.
Обработка информации. При обработке информации производится обмен информацией между устройством, предназначенным для выполнения арифметических действий, и запоминающим устройством: исходные данные с листа бумаги переносятся в машину, а затем результат вычислений снова записывается на бумаге или запоминается человеком.
Управление вычислительным процессом. В соответствии с планом вычислений человек производит вычислительные операции в определенной последовательности, каждый раз, решая, какие данные, в каком порядке обрабатывать. Автоматически управляемая вычислительная машина должна быть устроена так, чтобы все перечисленные элементы процесса вычислений осуществлялись в ней без участия человека во время ее работы. В соответствии с этим требованием вычислительная машина должна содержать различные устройства, осуществляющие эти элементы процесса вычислений.
В каждой вычислительной машине должна быть обеспечена возможность сообщить машине (поместить в нее) все необходимое для решения задачи. Чтобы иметь такую возможность, нужно специальное устройство, позволяющее воспринимать информацию из внешнего мира и передать ее в машину. Такое устройство называется устройством ввода.
Информация, которая посредством устройства ввода передается в вычислительную машину, попадает в устройство, которое по аналогии с человеческой памятью называют обычно памятью машины. Иногда слово «память» заменяют словом «запоминающее устройство».
Любая электронная цифровая вычислительная машина имеет оперативную и внешнюю память. Здесь есть аналогия с памятью человека. Несмотря на то, что мозг человека является отличной памятью, мы не можем им ограничиться. Все, что по каким-либо причинам трудно или не нужно держать в памяти, люди фиксируют на бумаге (в виде записных книжек, справочников, книг и др.).
Оперативная память разбивается на части – ячейки памяти. Ячейка – это участок памяти машины, предназначенный для хранения информации, которой может быть либо команда, либо число, либо набор символов, являющихся частью обрабатываемого текста. То есть память можно представить в виде запоминающей среды, состоящей из множества ячеек. Разбиение памяти на ячейки является условным и вызвано удобством обращения к ней. В действительности же ячейки памяти, как правило, не является каким-либо самостоятельным устройством машины.
Информация, записанная в некоторую ячейку, хранится в ней до тех пор, пока в эту же ячейку не будет записана новая информация. При этом все, что хранилось до этого момента в данной ячейке, автоматически уничтожается (стирается). При считывании информации, хранящейся в некоторой ячейке, эта информация продолжает оставаться в ней, т.е. из памяти выдается как бы «копия» данного слова для передачи ее в другие устройства машины, сам же «оригинал» продолжает храниться на прежнем месте.
Расположение информации в памяти определяется адресами (номерами) полей памяти. Каждый адрес служит именем ячейки.
В современных моделях ЭВМ выделяют еще постоянную память (постоянное запоминающее устройство). Постоянная память (ПЗУ) характеризуется тем, что запись информации в ней выполняется на предприятии-изготовителе, после чего любые изменения состояния памяти становятся невозможными.
Но основная цель машины – переработка информации, производство вычислительных и других действий. Устройство машины, предназначенное для этой цели, называется арифметическим устройством. Арифметическое устройство обладает способностью получать информацию, например, в виде чисел, из памяти, производить некоторые операции и отправлять полученные результаты обратно в память.
Однако недостаточно ввести в машину числа, произвести над ними требуемые операции. Нужно, чтобы с этими результатами мог познакомиться человек, иначе работа вычислительной машины теряет смысл. Значит, необходимо каким-то образом преобразовать информацию в доступную для восприятият человеком. Для этой цели в вычислительных машинах предусматривается специальное устройство, которое называется устройством вывода. С помощью устройства вывода обеспечивается передача результатов работы вычислительной машины во внешний мир.
Для связи пользователя с машиной предусмотрена клавиатура. С помощью клавиатуры можно вмешаться в работу и выполнить некоторые другие действия.
Вопросы для самоконтроля
2. Классическая структурная схема ЭВМ и назначение ее основных узлов
В функциональном отношении любая ЭВМ состоит из элементов – узлов и устройств.
Элемент – функциональная единица ЭВМ, выполняющая элементарную операцию над одной или несколькими цифрами и представляющая собой законченную электрическую схему. Примерами могут служить логические элементы, выполняющие функции алгебры-логики: И, ИЛИ, НЕ и др.
Узел – функциональная единица ЭВМ, состоящая из элементов и выполняющая операции над одним или несколькими числами или словами. Примерами могут служить сумматоры, счетчики, дешифраторы и др.
Устройство – функциональная единица ЭВМ, состоящая из элементов и узлов и выполняющая арифметические и логические операции, операции ввода-вывода данных и управления ходом вычислительного процесса. Например арифметические и запоминающие устройства, устройство управления, внешние устройства и другие.
Электронная вычислительная машина – это совокупность устройств, способных выполнять разнообразные арифметические, логические операции и др. без участия человека. Структура вычислительной машины – это отображение состава устройств машины и путей обмена информации между устройствами.
Первая ЭВМ была разработана в 1943 г., быстродействие такой ЭВМ было 5 000 операций сложения в секунду, весила она более 30 тонн и энергии потребляла в 1 000 раз больше, чем персональный компьютер. Состояла она из 18 000 электронных ламп.
Технология изготовления ЭВМ постоянно изменялась, но на протяжении большей части своего существования ЭВМ сохраняла архитектуру, предложенную в 40-х гг. XX в. выдающимся математиком Джоном фон Нейманом. Согласно этой модели все оборудование вычислительной машины разбивается на пять главных элементов:
Модель фон Неймана легла в основу практически всех созданных компьютеров. Джон фон Нейман сформулировал следующие основные принципы функционирования ЭВМ:
Одной из главных концепций Джона фон Неймана была концепция хранимой программы: программа хранится в памяти машины точно так же, как и числа. Это позволяет оперировать с закодированной в двоичном коде программой так же, как и с числами, что дает возможность изменять программу по ходу ее выполнения (этот процесс называется переадресацией).
Джон фон Нейман внес фундаментальный вклад в развитие идей конструирования ЭВМ и программирования. В 1947 г. по его идеям разрабатывались английские машины ЭДВАК и ЭДСАК, а в 1951г. – СЕАК и УНИАК (США). Это был поворотный пункт истории, с которого началось стремительное развитие вычислительной техники. В дальнейшем такие ЭВМ развивались достаточно быстро благодаря использованию новейших достижений науки и техники (рис.1).
Рис.1. Основные элементы ЭВМ
Основными элементами ЭВМ являются:
Процессор выполняет логические и арифметические операции, определяет порядок выполнения операций. Процессор работает под управлением программы. В состав процессора входят:
Арифметико-логическое устройство осуществляет арифметические и логические операции над данными.
Устройство управления отвечает за порядок выполнения команд, из которых состоит программа.
В регистрах общего назначения сохраняются промежуточные результаты расчетов.
Кэш-память служит для повышения быстродействия процессора.
Память предназначена для записи, хранения, выдачи данных. Существуют следующие виды памяти:
Оперативная память
(ОЗУ) используется для кратковременного хранения изменяемой в процессе выполнения процессором вычислительной операции. ОЗУ используется для хранения программ пользователя, исходных данных, выходных и промежуточных данных. При выключении ЭВМ информация, которая хранилась в ОЗУ, теряется.
Постоянная память (ПЗУ) используется для хранения не изменяющейся при работе ЭВМ информации. Такой информацией является, например, тестовая программа, которая стартует при включении ЭВМ и проверяет работоспособность всех устройств, как внутренних, так и внешних, драйверы устройств и др.
Внешняя память (ВЗУ) предназначена для долговременного хранения информации. К устройствам внешней памяти относятся накопители на магнитной ленте, накопители на жестких дисках (винчестер), накопители на гибких дисках (дискеты), накопители на оптических дисках и т.д..
Системная шина используется для передачи информации между процессором и остальными устройствами ЭВМ. Она состоит из:
Данные (в качестве данных могут выступать программы и команды) пересылаются по шине данных по адресам, которые указаны на адресной шине. Шина управления отслеживает, чтобы данные при перемещении не мешали друг другу и перемещались по очереди.
Устройства ввода информации предназначены для ввода информации (данных и команд) с внешнего носителя в память компьютера. К таким устройствам относятся:
Устройства вывода информации осуществляют вывод информации на внешние устройства. К ним относятся:
Вопросы для самоконтроля
3. Классификация ЭВМ
Существует много методов классификации компьютеров, среди которых наиболее распространенным является методов классификации компьютеров по габаритам. По этому принципу различают:
Большие ЭВМ. Это самые мощные компьютеры. Их применяют для обслуживания очень крупных организаций и целых отраслей народного хозяйства. За рубежом компьютеры этого класса называют мэйнфрэймами (mainframe). В России за ними закрепился термин большие
ЭВМ. На базе таких суперкомпьютеров создают вычислительные
центры, включающие несколько отделов или групп. Штат обслуживания большой ЭВМ составляет до многих десятков человек.
Несмотря на широкое распространение персональных компьютеров, роль больших ЭВМ не снижается. Они отличаются высокой стоимостью оборудования и обслуживания, поэтому работа таких суперкомпьютеров организована по непрерывному циклу. Наиболее трудоемкие и продолжительные вычисления планируют на ночные часы, когда количество обслуживающего персонала минимально. При этом для повышения эффективности компьютер работает одновременно с несколькими задачами и, соответственно, с несколькими пользователями. Он поочередно переключается с одной задачи на другую. Такое распределение ресурсов вычислительной системы носит название принципа разделения времени.
Мини-ЭВМ.
От больших ЭВМ компьютеры этой группы отличаются уменьшенными размерами и, соответственно, меньшими производительностью и стоимостью. Такие компьютеры используются крупными предприятиями, научными учреждениями, банками и некоторыми высшими учебными заведениями, сочетающими учебную работу с научной. На промышленных предприятиях мини-ЭВМ управляют производственными процессами. Для организации работы с мини-ЭВМ тоже требуется специальный вычислительный центр, хотя и не такой многочисленный, как для больших ЭВМ.
Микро-ЭВМ. Организации, использующие микро-ЭВМ, обычно не создают вычислительных центров. Для обслуживания такого компьютера им достаточно небольшой вычислительной лаборатории в составе нескольких человек.
Несмотря на относительно невысокую производительность по сравнению с большими ЭВМ, микро-ЭВМ находят применение и в крупных вычислительных центрах. Там они осуществляют вспомогательные операции, для которых не имеетсмысла использовать дорогие суперкомпьютеры.
Персональный компьютер (ПК) – это компьютер, который предназначен для обслуживания одного рабочего места. Бурное развитие персональный компьютер получил в течение последних двадцати лет, так как, несмотря на свои небольшие габариты и относительно невысокую стоимость, он обладает немалой производительностью. По своим возможностям многие современные персональные модели компьютеров превосходят большие ЭВМ 70-х гг., мини-ЭВМ 80-х гг. и микро-ЭВМ первой половины 90-х гг. ПК вполне способен решать задачи большинства малых предприятий и отдельных лиц. В связи с развитием Интернета широкую популярность ПК получили после 1995г.
Вопросы для самоконтроля
4. КЛАССИФИКАЦИЯ ПерсональныХ компьютерОВ
Модели персональных компьютеров условно можно разделить на две категории: бытовые ПК и профессиональные ПК. Но в последние годы границы между профессиональными и бытовыми моделями в значительной степени стерлись. В качестве бытовых нередко используют профессиональные высокопроизводительные модели, а профессиональные модели, в свою очередь, комплектуют устройствами для воспроизведения мультимедийной информации, что ранее было характерно для бытовых устройств. Под термином мультимедиа подразумевается сочетание нескольких видов данных в одном документе (текстовые, графические, музыкальные и видеоданные) или совокупность устройств для воспроизведения этого комплекса данных.
Существуют следующие признаки классификации персональных компьютеров:
Классификация по назначению. С 1999 г. в области персональных компьютеров начал действовать международный сертификационный стандарт – спецификация РС99. Согласно этому стандарту персональные компьютеры делятся на группы, к каждой из которых предъявляются минимальные и рекомендуемые требования. Новый стандарт устанавливает следующие категории персональных компьютеров:
Согласно этому стандарту большинство персональных компьютеров попадают в категорию массовых
ПК. Для деловых ПК минимизированы требования к средствам воспроизведения графики, а к средствам работы со звуковыми данными требования вообще не предъявляются. Для портативных ПК обязательным является наличие средств для создания соединений удаленного доступа, т.е. средств компьютерной связи. В категории рабочих станций повышены требования к устройствам хранения данных, а в категории развлекательных
ПК – к средствам воспроизведения графики и звука.
Классификация по уровню специализации. По уровню специализации компьютеры делятся на:
Универсальные компьютеры решают широкий круг задач и могут быть произвольной конфигурации.
Специализированные компьютеры предназначены для решения конкретного круга задач. К таким компьютерам относятся, например, бортовые компьютеры автомобилей, судов, самолетов, космических аппаратов. Компьютеры, интегрированные в бытовую технику, например в стиральные машины, СВЧ-плиты и видеомагнитофоны, тоже относятся к специализированным.
Графические станции – это специализированные ПК, предназначенные для работы с графикой. Их используют при подготовке кино- и видеофильмов, в издательских отделах, а также для подготовки рекламной продукции.
Файловые серверы – это специализированные компьютеры, объединяющие компьютеры предприятия в одну локальную сеть.
Сетевыми
серверы — это компьютеры, обеспечивающие передачу информации между различными участниками всемирной компьютерной сети Интернет.
Грань между универсальными и специализированными компьютерами порой незначительна, так как во многих случаях с задачами специализированных компьютерных систем могут справляться и обычные универсальные компьютеры.
Классификация по типоразмерам. По типоразмерам персональные компьютеры делятся на:
Настольные модели распространены наиболее широко. Они отличаются простотой изменения конфигурации за счет несложного подключения дополнительных внешних устройств или установки дополнительных внутренних компонентов.
Портативные
модели компьютеров можно использовать в качестве средства связи. Если подключить такой компьютер к телефонной сети (при наличии модема), то можно из любой географической точки установить обмен данными между ним и центральным компьютером своей организации. Для работы в стационарных условиях портативные компьютеры не очень удобны, но их можно использовать как системный блок, подключив к нему монитор, клавиатуру, мышь настольного компьютера.
Карманные
модели позволяют хранить оперативные данные и получать к ним быстрый доступ. Некоторые карманные модели имеют жестко встроенное программное обеспечение, что облегчает непосредственную работу, но снижает гибкость в выборе прикладных программ.
Классификация по совместимости. Существует множество различных видов и типов компьютеров, которые выпускаются разными фирмами и работают с разным программным обеспечением. Поэтому очень важным вопросом становится совместимость различных компьютеров между собой. От совместимости зависят взаимозаменяемость узлов и приборов, предназначенных для разных компьютеров, возможность переноса программ с одного компьютера на другой и возможность совместной работы разных типов компьютеров с одними и теми же данными.
По аппаратной совместимости
различают так называемые аппаратные
платформы. В области ПК сегодня наиболее широко распространены две аппаратные платформы:
Принадлежность компьютеров к одной аппаратной платформе повышает совместимость между ними, а принадлежность к разным платформам – понижает.
Кроме аппаратной совместимости существуют и другие виды совместимости:
Вопросы для самоконтроля
5. Характеристика основных устройств
ПЕРСОНАЛЬНОГО КОМПЬЮТЕРА
Персональный компьютер – универсальная техническая система. Его конфигурацию (состав оборудования) можно гибко изменять по мере необходимости. Тем не менее, существует понятие базовой конфигурации, которая считается типовой. В таком комплекте компьютер обычно поставляется. В состав базовой конфигурации входят следующие устройства:
Системный блок. Системный блок представляет собой основной узел, внутри которого установлены наиболее важные компоненты. Устройства, находящиеся внутри системного блока, называют внутренними, а устройства, подключаемые к нему снаружи, называют внешними
или
периферийными.
По внешнему виду системные блоки различают формой корпуса. Корпуса персональных компьютеров выпускают в горизонтальном (desktop) и вертикальном (tower) исполнении.
В состав системного блока входят:
Материнская плата. Материнская плата – основная плата персонального компьютера. На ней размещаются:
Процессор – это основная микросхема компьютера, в которой и производятся вычисления. Конструктивно процессор состоит из ячеек, данные в которых могут не только храниться, но и изменяться. Внутренние ячейки процессора называют регистрами.
Совокупность всех возможных команд, которые может выполнить процессор над данными, образует так называемую систему команд процессора. Процессоры, относящиеся к одному семейству, имеют одинаковые или близкие системы команд. Процессоры, относящиеся к разным семействам, различаются по системе команд.
Если два процессора имеют одинаковую систему команд, то они полностью совместимы на программном уровне. Это значит, что программа, написанная для одного процессора, может исполняться и другим процессором. Процессоры, имеющие разные системы команд, как правило, несовместимы или ограниченно совместимы на программном уровне.
Группы процессоров, имеющих ограниченную совместимость, рассматривают как семейство процессоров. Например, все процессоры Intel Pentium относятся к так называемому семейству х86. Родоначальником этого семейства был процессор Intel 8086, на базе которого собиралась первая модель компьютера IBM PC. Позже выпускались процессоры Intel 80286, Intel 80486, Intel Pentium 133, 166, Intel Pentium ММХ, Intel Celeron, Intel Pentium III, Intel Pentium IV и т.д. Для всех этих процессоров действует принцип совместимости от более позднего к более раннему, т.е. каждый новый процессор понимает все команды своих предшественников, но не наоборот.
Оперативная память (RAM – Random Access Memory) – это массив кристаллических ячеек, способных хранить данные. С точки зрения физического принципа действия, различают динамическую память (DRAM) и статическую память (SRAM). Микросхемы динамической памяти используют в качестве основной оперативной памяти компьютера. Микросхемы статической памяти используют в качестве вспомогательной памяти (так называемой кэш-памяти), предназначенной для оптимизации работы процессора.
Представление о том, сколько оперативной памяти должно быть в типовом компьютере, непрерывно меняется. В середине 80-х гг. поле памяти размером 1 Мбайт казалось огромным, в начале 90-х годов достаточным считался объем 4 Мбайт. К середине 90-х гг. он увеличился до 8 Мбайт, а затем до 16 Мбайт. Сегодня минимальным считается размер оперативной памяти 64 Мбайт, а обычным – 128 Мбайт. Очень скоро и эта величина будет превышена в несколько раз.
Оперативная память в компьютере размещается на стандартных панелях, называемых модулями. Модули оперативной памяти вставляются в соответствующие разъемы на материнской плате.
Конструктивно модули памяти имеют два исполнения – однорядные (SIMM-модули) и двухрядные (DIMM-модули). Многие модели материнских плат имеют разъемы, как того, так и другого типа, но комбинировать на одной плате модули разных типов нельзя. SIMM-модули поставляются объемами 4, 8, 16, 32 Мбайт, а DIMM-модули – 16, 32, 64, 128 Мбайт.
Постоянная память (ПЗУ) и система BIOS. В момент включения компьютера в его оперативной памяти нет ничего – ни данных, ни программ, поскольку оперативная память не может ничего хранить без подзарядки. Но процессору нужны команды, в том числе и в первый момент после включения. Поэтому сразу после включения происходит считывание команд с ПЗУ (постоянное запоминающее устройство). Микросхема ПЗУ длительное время хранит информацию, даже когда компьютер выключен. Программы, находящиеся в ПЗУ, называют «зашитыми» – их записывают туда на этапе изготовления микросхемы.
Комплект программ, входящих в ПЗУ, образует базовую систему ввода—вывода
(BIOS – Basic Input Output System). Основное назначение программ этого пакета состоит в том, чтобы проверить состав и работоспособность компьютерной системы и обеспечить взаимодействие с клавиатурой, монитором, жестким диском и дисководом гибких дисков. Программы, входящие в BIOS, позволяют наблюдать на экране диагностические сообщения, сопровождающие запуск компьютера, а также вмешиваться в ход запуска с помощью клавиатуры.
Шины. С остальными устройствами компьютера, в первую очередь с оперативной памятью, процессор связан группами проводников, которые называются шинами. Существует три основные шины: шина данных, адресная шина, командная шина. У процессоров Intel 32-разрядная адресная шина, т.е. она состоит из 32 параллельных линий. Комбинация из 32 нулей и единиц образует 32-разрядный адрес, который указывает на одну из ячеек оперативной памяти. По шине данных происходит обмен информацией между оперативной памятью и процессором. По шине команд поступают команды в процессор также из оперативной памяти, но не из той области, где хранятся данные, а из той, где хранятся программы.
Жесткий диск. Жесткий диск (винчестер) – это устройство для долговременного хранения больших объемов данных и программ. На самом деле, это не один диск, а группа соосных дисков, имеющих магнитное покрытие и вращающихся на валу с высокой скоростью. Управление работой жесткого диска выполняет специальное аппаратно-логическое устройство – контроллер жесткого диска.
К основным параметрам жестких дисков относятся емкость и производительность. Емкость дисков зависит от технологии их изготовления. В настоящее время большинство производителей жестких дисков используют разработанную компанией IBM технологию. Теоретический предел емкости одной пластины, исполненной по этой технологии, составляет порядка 20 Гбайт. В настоящее время технологический уровень приближается к 10 Гбайт на пластину.
При обращении к жесткому диску необходимо указать его имя. Это имя С:. Независимо от конфигурации компьютера это имя жестко закреплено. Иногда для удобства работы пользователя, или когда на одном компьютере работает несколько пользователей, жесткий диск разбивают специальной программой на несколько логических дисков. Каждый пользователь может работать с выделенным для него логическим диском. Имена логических дисков – латинские буквы, следующие по алфавиту за буквой С:. Например, если винчестер разбит на два логических диска, то их имена будут С: и D:, если на три – C: D: E: и т.д.
Дисковод гибких дисков. Данные на жестком диске могут храниться годами, однако иногда требуется их перенос с одного компьютера на другой. Для небольших объемов данных используют так называемые гибкие
диски (дискеты), которые вставляют в специальный накопитель – дисковод. Имя этого дисковода А:. Это имя так же, как и имя винчестера, жестко закреплено.
Первый компьютер IBM PC был выпущен в 1981 г. К нему можно было подключить внешний накопитель, использующий односторонние гибкие диски диаметром 5,25 дюйма. Емкость диска составляла 160 Кбайт. В следующем году появились аналогичные двусторонние диски емкостью 320 Кбайт. Начиная с 1984 г. выпускались гибкие диски 5,25 дюйма высокой плотности (1,2 Мбайт). В наши дни диски размером 5,25 дюйма не используются, и соответствующие дисководы в базовой конфигурации персональных компьютеров после 1994 г. не поставляются.
Гибкие диски размером 3,5 дюйма выпускают с 1980г. В настоящее время стандартными считают диски размером 3,5 дюйма высокой плотности. Они имеют емкость 1,4 Мбайт и маркируются буквами HD (high density – высокая плотность).
Гибкие диски – ненадежные носители данных. Пыль, грязь, влага, температурные перепады и внешние электромагнитные поля могут стать причиной частичной или полной утраты записей, хранящихся на гибком диске. Поэтому использовать гибкие диски в качестве основного средства архивного хранения данных нельзя. Их в основном применяют только для транспортировки данных с одного компьютера на другой.
Дисковод компакт-дисков CD-ROM. В период 1994-1995гг. в базовую конфигурацию персональных компьютеров перестали включать дисководы гибких дисков диаметром 5,25 дюйма, но вместо них ввели накопители CD-ROM, имеющие такие же внешние размеры.
Аббревиатура CD-ROM (Compact Disc Read-Only Memory) переводится на русский язык как постоянное
запоминающее устройство на основе компакт-диска. Принцип действия этого устройства состоит в считывании числовых данных с помощью лазерного луча, отражающегося от поверхности диска. Цифровая запись на компакт-диске отличается очень высокой плотностью, и диск может хранить примерно 650 Мбайт данных.
Большие объемы данных характерны для мультимедийной информации (графика, музыка, видео), поэтому дисководы CD-ROM относят к аппаратным средствам мультимедиа.
Основным недостатком стандартных дисководов CD-ROM является невозможность записи данных, но параллельно с ними существуют и устройства многократной записи CD-RW (Compact Disc Recorder-Writer).
Основным параметром дисководов CD-ROM является скорость чтения данных. За единицу измерения принята скорость чтения в первых серийных образцах, составляющая 150 Кбайт/с. В настоящее время наибольшее распространение имеют устройства чтения CD-ROM с производительностью 32х-48х (х – единица измерения скорости, равная 150 Кбайт/с). Современные образцы устройств однократной записи имеют производительность 4х-8х, а устройства многократной записи – до 4х.
Имя дисковода для чтения компакт-диска жестко не закреплено. При установке операционной системы дисководу присваивается имя D:, если винчестер не разбит на логические диски. Если винчестер разбит на несколько логических дисков, то в качестве имени дисководу присваивается латинская буква, следующая за буквой последнего имени логического диска. Например, если винчестер разбит на два диска C: и D:, то CD-ROM имеет имя E:.
Видеокарта (видеоадаптер). Все операции, связанные с построением изображения, выделены в отдельный блок, который называется видеоадаптером. Он выполнен в виде отдельной дочерней платы, которая вставляется в один из слотов материнской платы, и называется видеокартой. В настоящее время применяются видеоадаптеры SVGA, обеспечивающие по выбору воспроизведение до 16,7 миллионов цветов с возможностью произвольного выбора разрешения экрана из стандартного ряда значений (640 х 480, 800 х 600, 1024 х 768 точек и т.д.).
Звуковая карта. Звуковая карта явилась одним из наиболее поздних усовершенствований персонального компьютера. Она подключается к одному из слотов материнской платы в виде дочерней платы и выполняет вычислительные операции, связанные с обработкой звука, речи, музыки. Звук воспроизводится через внешние звуковые колонки, подключаемые к выходу звуковой карты. Имеется также разъем для подключения микрофона, что позволяет записывать речь или музыку и сохранять их на жестком диске для последующей обработки и использования.
Монитор. Монитор (дисплей) – это устройство визуального представления данных. Его основными параметрами являются:
Размер экрана. Единица измерения – дюйм. Измеряется по диагонали. Стандартные размеры: 14″; 15″; 17″; 19″; 20″; 21″. В настоящее время наиболее распространенными являются мониторы размером 15 и 17 дюймов. Для операций с графикой наиболее распространены мониторы размером 19-21 дюйм.
Разрешение экрана. Чем разрешение экрана выше, тем больше информации можно отобразить на экране, но тем меньше размер каждой отдельной точки и, соответственно, тем меньше видимый размер элементов изображения. Для каждого размера монитора существует свое оптимальное разрешение экрана, которое должен обеспечивать видеоадаптер.
Размер монитора
Оптимальное разрешение экрана