Основные принципы построения и организации ЭВМ

УЧЕБНОЕ ЗАНЯТИЕ

1 Тема Основные принципы построения и организации ЭВМ

2 Цели Усвоение основных учебных элементов на уровне знакомства и понимания, воспитание четкости и внимательности в учебном процессе.

3.1 Структура и принципы действия ЭВМ.

3.2 Совершенствование структуры ЭВМ.

Введение

Более чем за полвека развития вычислительных средств прогресс в аппаратной реа­лизации ЭВМ и их технических характеристик превзошел все прогнозы, и пока не за­метно снижение его темпов. Несмотря на то, что современные ЭВМ внешне не имеют ничего общего с первыми моделями, основополагающие идеи, заложенные в них и свя­занные с понятием алгоритма, разработанным Аланом Тьюрингом, а также архитектур­ной реализацией, предложенной Джоном фон Нейманом, пока не претерпели коренных изменений.

3.1 Структура и принципы действия ЭВМ.

Машина фон Неймана — схема универсального компьютера, предложенная выдающимся американским математиком Джоном фон Нейманом в 1946 г. По этой схеме действует любой компьютер. Как, впрочем, и каждый универсальный преобразователь информации, не обязательно электронный. Процессор, выполняя ту или иную программу, расположенную в памяти, управляет вводом в память и выводом из неё данных. Попавшие в память данные процессор обрабатывает.

Вот два простейших примера. Если вы работаете с текстовым редактором, то, нажав на клавиатуре (устройстве ввода) клавишу «пробел», увидите на экране монитора (устройстве вывода), что курсор сдвинулся вправо.

Нетрудно догадаться, что процессор довольно сложное устройство. Как минимум, он должен уметь: 1) читать, писать и стирать символы, переходить от ячейки к ячейке; 2) оперировать с символами (сравнивать, преобразовывать), для чего ему, в частности, необходимо место для их временного хранения-запоминания.

Любая ЭВМ неймановской архитектуры содержит следующие основные устройства:

- арифметико-логическое устройство (АЛУ);

- устройство управления (УУ);

- запоминающее устройство (ЗУ);

- устройства ввода-вывода (У В В);

3.2 Совершенствование структуры ЭВМ.

В современных ЭВМ, АЛУ и УУ объединены в общее устройство, называемое централь­ным процессором. Обобщенная логическая структура ЭВМ представлена на рис. 1.

Вычислительный процесс должен быть предварительно представлен для ЭВМ в виде программы.

Программа для ЭВМ — это последовательность команд (инструкций), записанных в порядке выпол­нения.

В процессе выполнения программы ЭВМ выбирает очередную команду, расшиф­ровывает ее, определяет, какие действия и над какими операндами следует выполнить. Эту функцию осуществляет УУ. Оно же помещает выбранные из ЗУ операнды в АЛУ, где они и обрабатываются. Само АЛУ работает под управлением УУ.

Процессор, или микропроцессор, является основным устройством ЭВМ. Он пред­назначен для выполнения вычислений по хранящейся в запоминающем устройстве про­грамме и обеспечения общего управления ЭВМ. Быстродействие ЭВМ в значительной мере определяется скоростью работы процессора. Для ее увеличения процессор исполь­зует собственную память небольшого объема, именуемую местной или сверхоператив­ной, что в некоторых случаях исключает необходимость обращения к запоминающему устройству ЭВМ.

Обрабатываемые данные и выполняемая программа должны находиться в запоми­нающем устройстве — памяти ЭВМ, куда они вводятся через устройство ввода. Емкость памяти измеряется в величинах, кратных байту. Память представляет собой сложную структуру, построенную по иерархическому принципу, и включает в себя запоминаю­щие устройства различных типов. Функционально она делится на две части: внутрен­нюю и внешнюю.

Внутренняя, или основная память — это запоминающее устройство, напрямую свя­занное с процессором и предназначенное для хранения выполняемых программ и дан­ных, непосредственно участвующих в вычислениях. Обращение к внутренней памяти ЭВМ осуществляется с высоким быстродействием, но она имеет ограниченный объем, определяемый системой адресации машины.

Внутренняя память, в свою очередь, делится на оперативную (ОЗУ) и постоянную (ПЗУ) память.

Оперативная память, по объему составляющая большую часть внутрен­ней памяти, служит для приема, хранения и выдачи информации. При выключении пи­тания ЭВМ содержимое оперативной памяти в большинстве случаев теряется.

Посто­янная память обеспечивает хранение и выдачу информации. В отличие от содержимого оперативной памяти, содержимое постоянной заполняется при изготовлении ЭВМ и не может быть изменено в обычных условиях эксплуатации. В постоянной памяти хранят­ся часто используемые (универсальные) программы, и данные, к примеру, некоторые программы операционной системы, программы тестирования оборудования ЭВМ и др. При выключении питания содержимое постоянной памяти сохраняется.

Внешняя память (ВЗУ) предназначена для размещения больших объемов информа­ции и обмена ею с оперативной памятью. Для построения внешней памяти используют энергонезависимые носители информации (диски и ленты), которые к тому же являют­ся переносимыми. Емкость этой памяти практически не имеет ограничений, а для обра­щения к ней требуется больше времени, чем ко внутренней.

Внешние запоминающие устройства конструктивно отделены от центральных уст­ройств ЭВМ (процессора и внутренней памяти), имеют собственное управление и вы­полняют запросы процессора без его непосредственного вмешательства. В качестве ВЗУ используют накопители на магнитных и оптических дисках, а также накопители на маг­нитных лентах.

ВЗУ по принципам функционирования разделяются на устройства прямого дос­тупа (накопители на магнитных и оптических дисках) и устройства последователь­ного доступа (накопители на магнитных лентах). Устройства прямого доступа обла­дают большим быстродействием, поэтому они являются основными внешними запо­минающими устройствами, постоянно используемыми в процессе функционирования ЭВМ. Устройства последовательного доступа используются в основном для резерви­рования информации.

Системный интерфейс — это конструктивная часть ЭВМ, предназначенная для взаи­модействия ее устройств и обмена информацией между ними.

В больших, средних и супер-ЭВМ в качестве системного интерфейса используются сложные устройства, имеющие встроенные процессоры ввода-вывода, именуемые ка­налами. Такие устройства обеспечивают высокую скорость обмена данными между ком­понентами ЭВМ.

Отличительной особенностью малых ЭВМ является использование в качестве сис­темного интерфейса системных шин. Различают ЭВМ с многошинной структурой и с общей шиной. В первых для обмена информацией между устройствами используются отдельные группы шин, во втором случае все устройства ЭВМ объединяются с помо­щью одной группы шин, в которую входят подмножества шин для передачи данных, адреса и управляющих сигналов. При такой организации системы шин обмен информа­цией между процессором, памятью и периферийными устройствами выполняется по единому правилу, что упрощает взаимодействие устройств машины.

Устройства ввода-вывода служат соответственно для ввода информации в ЭВМ и вывода из нее, а также для обеспечения общения пользователя с машиной. Процессы ввода-вывода протекают с использованием внутренней памяти ЭВМ. Иногда устрой­ства ввода-вывода называют периферийными или внешними устройствами ЭВМ. К ним относятся, в частности:

1. мониторы (дисплеи);

2. клавиатура;

3. манипуляторы типа «мышь»;

4. алфавитно-цифровые печатающие устройства (принтеры);

5. графопостроители, плоттеры;

6. сканеры, диджитайзеры и др.

Для управления внешними устройствами (в том числе и ВЗУ) и согласования их с системным интерфейсом служат групповые устройства управления внешними устрой­ствами, адаптеры или контроллеры.

Заключение

Рассмотренный материал можно изучить более глубоко по специальной литературе, эту работу можно оформить рефератом.

Литература

1. Информатика / Под ред. проф. Макаровой Н.В. – М.: Финансы и статистика, 2012.

2. Астафьева Н. Е., Гаврилова С. А., Цветкова М. С. Информатика и ИКТ: Практикум для профессий и специальностей технического и социально-экономического профилей: учеб. пособие для студ. учреждений сред. проф. образования / под ред. М. С. Цветковой. — М., 2014

3. Малясова С. В., Демьяненко С. В. Информатика и ИКТ: Пособие для подготовки к ЕГЭ : учеб. пособие для студ. учреждений сред. проф. образования / под ред. М. С. Цветковой. — М., 2013.

4. Цветкова М. С., Великович Л. С. Информатика и ИКТ: учебник для студ. Учреждений сред. проф. образования. — М., 2014

5. Цветкова М. С., Хлобыстова И.Ю. Информатика и ИКТ: практикум для профессий и специальностей естественно-научного и гуманитарного профилей : учеб. пособие для студ. учреждений сред. проф. образования. — М., 2014.

6. Цветкова М. С. Информатика и ИКТ: электронный учеб.-метод. комплекс для студ. учреждений сред. проф. образования