Устройство и принцип действия эвм план конспект

Обновлено: 06.07.2024

Цели: - дать представление о назначении компьютера.

- дать представление об основных устройствах компьютера, и их характеристиках.

Аппаратное обеспечение компьютера – система взаимосвязанных технических устройств, выполняющих ввод, хранение, обработку и вывод информации (hardware).

Основные этапы обработки информации:

Производительность компьютера – характеристика, показывающая скорость выполнения компьютером операций обработки информации.

Основные устройства: монитор, клавиатура, системный блок.

Монитор – устройство вывода символьной и графической информации на экран. Подключается к видеокарте, установленной в компьютере.

Монитор на ЭЛТ (электронно – лучевые трубки) выглядит как кинескоп у телевизора. Монитор жидкокристаллический (LCD), или плоский монитор, сделан из жидкого вещества.

Мониторы могут иметь различный размер экрана. Размер диагонали экрана измеряется в дюймах (1дюйм = 2,54 см ) и обычно составляют 15,17 дюймов.

Любое изображение на экране представляется набором точек, которые называют пикселями. Число точек по горизонтали и вертикали экрана называют разрешающей способностью монитора. Четкость изображения на мониторе определяется расстоянием между точками на экране, или величиной шага. Значения колеблются от 0,22 до 0,43 мм.

Клавиатура – устройство ввода текстовой и числовой информации. Место ввода информации на экране указывается специальным значком, который называется курсором. Вид курсора может быть различным в виде мигающей черточки, прямоугольника и т.д. Стандартная клавиатура имеет 104 клавиши и 3 информирующих о режиме работы клавиатуры световых индикатора в правом верхнем углу.

Группы клавиш: 1. алфавитно – цифровые.

2.управляющие клавиши – для ввода и выполнения команд (shift, ctrl,alt).

3. функциональные клавиши – от F1 до F12.

4. управление курсором – для перемещения курсора на экране монитора.

5. малая цифровая клавиатура (световой индикатор Num Lock – включен, работает ввод цифр, выключен – работает управление курсором.)

Таблица назначения основных управляющих клавиш

Ввод набранной команды или текста

Отмена текущего действия

Установка курсора в определенную позицию

Фиксация режима вода прописных букв

Действуют с буквенной или управляющей клавишей

Удаление символа слева от курсора

Удаление текущего символа

Режим вставки или замены символа

Переключение режима работы малой клавиатуры

Home \ end, page up\page down

Системный блок включает в себя: системную или материнскую плату, процессор, память, магистраль.

Процессор – устройство, обеспечивающее преобразование информации и управление другими устройствами компьютера.

Современный процессор представляет собой микросхему или чип, выполненный на кремниевой пластине – кристалле. Поэтому его называют микропроцессором. В современных компьютерах он равен 2 см^2. Процессор выполняет арифметические и логические операции. Арифметические операции – это математические операции (сложение, вычитание, умножение, деление). Логические операции – отношения между объектами.

Характеристики процессора: 1. Производительность – количество элементарных операций, выполняемых им за одну секунду.

2. Тактовая частота – число тактов работы процессора в секунду. Такт – это малый промежуток времени, в течение которого может быть выполнена элементарная операция (например, сложение двух чисел). Чем больше тактовая частота, тем больше операций в секунду выполняет процессор. Измеряется тактовая частота в МГц. 1 МГц = миллион тактов в секунду.

3. Разрядность процессора определяется количеством двоичных разрядов, которые могут передаваться или обрабатываться процессором одновременно. Эта порция информации, часто называется машинным словом. Процессор может иметь одновременный доступ к 8, 16, 32, 64 битам. С повышением разрядности увеличивается объем информации, обрабатываемый процессором за один такт. Чем выше разрядность тем с большим количеством памяти может работать процессор. Часто уточняют разрядность процессора и пишут 64\36, что означает, что процессор имеет 64-разрядную шину данных и 36-разрядную шину адреса.

Память – это совокупность устройств для хранения информации.

Характеристики и операции памяти: 1. Адресация – память состоит из ячеек, в каждой из которых хранится определенная порция информации. Чтобы взять информацию из ячейки или поместить ее туда, надо указать адрес ячейки.

2. Операции с памятью: считывание и запись.

Чтение (считывание) информации из памяти – процесс получения информации из ячеек памяти, расположенных по заданному адресу.

Запись (сохранение) – информации в памяти – процесс размещения информации по заданному адресу для хранения.

Время доступа, или быстродействие, памяти – время, необходимое для чтения из памяти либо записи в нее минимальной порции информации.

Объем (емкость) памяти – максимальное количество хранимой в ней информации.

Цель урока: закрепить и углубить знания учащихся.

Тип урока: урок обобщения и систематизации знаний, умений и навыков.

Вид урока: сдвоенный урок, урок-конкурс.

Форма проведения: игровая, с привлечением гостей.

Оборудование и наглядные пособия: карточки с заданиями; карточки с маршрутными листами для экипажей; карточки-эмблемы экипажей; двоичная кодировочная таблица; таблица “Азбука Морзе”; карточки с кроссвордами; сводная ведомость оценок для работы жюри; плакат.

1. Организационный момент, формирование экипажей

Сегодняшний урок пройдет в форме конкурса экипажей: вся группа будет разделена на команды-экипажи, которые станут соревноваться между собой, выполняя задания и получая баллы за каждое из них.

Позвольте вам представить судей, независимую группу экспертов, помощников из гр.410.

Для того, чтобы определить членом какого экипажа станет каждый из вас, предлагаю вам решить задачу.

Задача отборочного тура

Кулинар приготовил торт из трех коржей и положил его на зеленый поднос. Но оказалось, что на столе вся посуда красного цвета. Помогите кулинару переложить все коржи на красный поднос, используя желтый поднос как вспомогательный. Обратите внимание! За один ход можно переложить только один корж, и на маленький корж нельзя положить большой.

Возможный вариант решения задачи:

1. 1 – 3 2. 1 – 2 3. 3 – 2 4. 1 – 3 5. 2 – 1 6. 2 – 3 7. 1 – 3

Правильность выполнения задания проверяет жюри.

Каждому ученику, выполнившему задание, выдается карточка-эмблема его экипажа:

Для получения равноценных экипажей рекомендуется формировать их следующим образом:

Экипаж “Компьютер” – ученики, выполнившие задание 1 (капитан), 8, 10, 13, 20, 21, 28, 29.

Экипаж “Клавиатура” - ученики, выполнившие задание 2 (капитан), 6, 11, 14, 18, 22, 26, 30.

Экипаж “Мышь” - ученики, выполнившие задание 3 (капитан), 5, 12, 15, 17, 23, 25, 31.

Экипаж “Дискета” - ученики, выполнившие задание 4 (капитан), 7, 9, 16, 19, 24, 27, 32.

Дополнительное задание для капитанов экипажей.

Рассказать об устройстве, изображенном на карточке-эмблеме, его назначении.

За правильный ответ начисляются баллы (от 0,5 до 1,5).

Капитаны экипажей получают маршрутные листы.

01110 01101 01000 10010 01110 10000

00100 01011 11111

11011 00010 01110 00100 00000

_._ ._.. ._ ._ _ .. ._ _ .._ ._. ._

._ _ ._ _ _ _ _ _.. ._

Двоичная кодировочная таблица

Таблица “Азбука Морзе”

Ответы: МОНИТОР ДЛЯ ВЫВОДА; КЛАВИАТУРА ДЛЯ ВВОДА. (От 0 до 5 баллов).

В каждом городе можно встретить запрещающие таблички: “Собак не выгуливать”, “Мусор не бросать”, “По газонам не ходить” и т.д. Но если существуют запрещающие таблички, должны быть и разрешающие. Придумайте, какие 5 разрешающих табличек можно повесить в кабинете информатики. (1 балл за каждую табличку.)

Всем с детства знакома строка из стихотворения А.С.Пушкина: “Там на неведомых дорожках следы невиданных зверей…”. Никто никогда не видел эти следы, но можно предположить, что рядом со следами невиданных зверей могли быть и следы . компьютерных вирусов. Представьте и нарисуйте, как выглядят эти следы. (4 балла)

Вопросы капитанам. Они поочередно отвечают. Каждый вопрос оценивается в 1 балл.

1.Что обещали родители дяди Фёдора за информацию о его местоположении? (Велосипед)

2. Как зовут создателя компании “Майкрософт” Гейтса? (Билл)

3. В Англии давно была написана программа, предназначенная для использования в офисах крупных компаний. По принципу действия она напоминает антивирусы, но используется для другой цели. Для какой? (Для уничтожения игр)

4. Какой инфекцией может заразиться компьютер? (Вирусной)

5. Согласно закону Мерфи, решение сложной задачи надо поручить ленивому ученику. А почему? (Он найдет самое простое решение)

Какие странные слова

Для слов иностранного происхождения вам предложены три определения. Необходимо выбрать определение, которое соответствует рассматриваемому слову.

1. Виртуальный - это .

a. вспомогательный

b. доведенный до совершенства

c. не имеющий физического воплощения, а созданный на экране монитора компьютера

2. Гипертекст - это .

a. текст очень большого размера

b. текст, полностью состоящий из прописных букв

c. текст, содержащий связи с текстом других документов

3. Конъюнкция - это .

a. логическая операция, обозначаемая символом AND

b. логическая операция, обозначаемая символом OR

c. соединение двух или нескольких символьных величин в одну

a. звуковой сигнал на компьютере

b. минимальный элемент изображения на экране монитора

c. единица измерения высоты символов

a. главный компьютер многоранговой локальной сети

b. элемент системного блока ПК

c. человек, ремонтирующий компьютеры.

Кроссворд “Устройство компьютера”

По горизонтали:

1. Устройство отображения информации.

2. Точка изображения на экране монитора.

3. Устройство ввода.

1. Носитель информации.

3. Устройство отображения информации на бумажном носителе.

По горизонтали: 2. Монитор. 3. Пиксель. 4. Клавиатура.

По вертикали: 1. Дискета. 3. Принтер.

Кроссворд “Язык, алфавит”

По горизонтали:

3. Объект, от которого передается информация.

5. Разговор двух и более лиц.

6. Графический знак (рисунок или пиктограмма).

9. Шифрование данных.

10. Объект, воспринимающий информацию.

12. Создатель произведения.

15. Взаимодействие субъектов с целью передачи информации.

16. Исполнение одним человеком музыкального произведения.

17. Секретное слово.

1. Знаковая система фиксации речи с помощью начертательных элементов (обычно букв).

2. Письмо рисунками.

4. Совокупность символов, используемых в языке, или система кодирования.

8. Выразительные движения мышц лица, одна из форм проявления чувств человека.

11. Разговор одного человека (иногда с самим собой).

13. Телодвижение, используемое как средство передачи информации.

14. Одна из основных единиц языка, служащая для именования предметов.

По горизонтали: 3. Источник. 5. Диалог. 6. Идеограмма. 9. Кодирование. 10. Приемник. 12. Автор. 15. Общение. 16. Соло. 17. Пароль.

По вертикали: 1. Письмо. 2. Пиктография. 4. Алфавит. 7. Адресат. 8. Мимика. 11. Монолог. 13. Жест. 14. Слово.

Информатика и автомобильный транспорт

Перед вами две колонки, в которых даны определения некоторых терминов. В первой колонке приведены определения, касающиеся информатики и компьютеров, во второй - относящиеся к автомобильному транспорту. Необходимо найти пары определений (по одному из каждой колонки), относящиеся к терминам-омонимам и назвать общий термин, их связывающий.

2. Распространение информации от одного объекта к другому.

3. Деталь системного блока ПК в виде пластины, на которой установлены микросхемы и другие элементы.

4. Совокупность правил, регламентирующих формат и процедуры обмена информацией между двумя или несколькими устройствами.

2. Часть двигателя внутреннего сгорания.

3. Отдача денег за проезд на транспорте.

4. Жаргонное название уровня скорости в коробке передач автомобиля.

1-5 (диск); 2-4 (передача); 3-3 (плата); 4-1 (протокол); 5-2 (цилиндр)

По представленной информации необходимо определить слова А Б В

1. Если из слова А отбросить последнюю букву, а к оставшейся части приписать слово Б, то получится слово В.

А – один из первых языков программирования;

Б – равномерное чередование каких-либо элементов (в звучании, в движении);

В – совокупность четко определенных правил для решения задачи за определенное число шагов.

2. Если из слова А взять первые две буквы и к ним приписать букву “р” и слово Б, то получится слово В.

А – жесткий магнитный диск для хранения информации в персональном компьютере;

Б – половина волос над верхней губой;

В – вредная программа.

3. Если из слова А отбросить первые две буквы, то получится слово Б. Если в слове Б заменить одну согласную букву на некоторую другую, то получится слово В.

А и Б – название цифр десятичной системы счисления;

С – несколько соединенных между собой компьютеров.

4. Если из слова А отбросить несколько последних букв, а к оставшейся части приписать слово Б, то получится слово В, которое по правилам должно писаться с прописной буквы.

А – совокупность средств взаимодействия программы и пользователя;

Б – русский аналог слова NOT;

В – всемирная компьютерная сеть.

5. Слово А без трех последних букв и слово Б без последней буквы вместе образуют слово В.

А – изобретатель системы кодирования информации, использующей символы точку и тире;

Б – первая часть названия версии программы, цель которой – демонстрация особенностей основной программы;

В – устройство для передачи информации между компьютерами через телефонную сеть.

Ответы:

1. Алгол, ритм, алгоритм.

2. Винчестер, ус, вирус.

3. Восемь, семь, сеть.

4. Интерфейс, нет, Интернет.

5. Морзе, демо-версия, модем.

Для каждого из приведенных слов указать его “антипод”. Пример: виртуальный – физический.

1. Восстановление – удаление

2. Демодулятор – модулятор

3. Пиратский – лицензионный

4. Черно-белый – цветной

5. Шифратор – дешифратор.

Анаграмма: переставить буквы и получить новое слово

Предложены некоторые слова. Необходимо переставить их буквы так, чтобы получилось слово, связанное с информатикой и компьютерами. Например, из слова “док” можно получить слово “код”, а из слова “иголка” – “логика”.

Для каждого из терминов приведены три определения, одно из которых не соответствует термину. Необходимо указать это определение.

a. крепежная деталь
b. один из инструментов в графическом редакторе
c. жаргонное название жесткого магнитного диска

a. специально устроенная дистанция для бега, плавания и т.д.
b. участок магнитного диска
c. часть экрана компьютера в текстовом редакторе

a. элемент матричного принтера;
b. элемент дисковода гибких дисков;
c. элемент швейной машинки.

a. работа вспомогательной процедуры в программе;
b. обслуживание;
c. пункт стандартного меню Microsoft Word и Microsoft Excel.

a. запись числа 242 в 16-ричной системе счисления;
b. обозначение функциональной клавиши на клавиатуре компьютера;
c. запись числа 142 в 16-ричной системе счисления.

1 - b, 2 – c, 3 – b, 4 – a, 5 – c.

1. Бит, байт, килобайт, …

2. Дизъюнкция, конъюнкция, …

3. Системный блок, клавиатура, “мышь”, …

4. 1000, 1001, 1010, …

5. 286, 386, 486, …

6. Счеты, логарифмическая линейка, калькулятор.

1 – мегабайт, 2 – отрицание, 3 – монитор, 4 – 1011, 5 – Pentium, 6 – компьютер.

Каждый экипаж выполняет задания. Капитан организует работу экипажа и докладывает членам жюри о выполнении каждого задания.

Жюри проверяет правильность выполнения задания и выставляет оценку в маршрутный лист.

3. Подведение итогов урока

Наступило время членам жюри посоветоваться и решить, кто победил в викторине. А пока жюри совещается, мы посмотрим творение известного в определенных кругах художника Кисточкина. Он был проездом в Москве и зашел в гости. Здесь изображен фантик для конфеты, которая будет пользоваться спросом у компьютерщиков. Кондитерская фабрика “Красный Октябрь” уже решила заменить ею другую популярную конфету. Вы должны назвать старое название конфеты. Кто угадает первым - получит ее сладкий эквивалент.

(Ответ: “Мышка на сервере”)

Не пора ли нам подвести итоги? Компьютерная группа, огласите, пожалуйста, результаты.

Дорогие члены жюри! Мы все очень рады, что вы почтили нас своим присутствием и провели столько конкурсов, что заслужили награду. Позвольте вручить вам орден “Почетный посетитель компьютерного класса”.

Для учеников 1-11 классов и дошкольников
Бесплатные сертификаты учителям и участникам

Занятие №1

Тема 1.1. Назначение ЭВТ. Классификация вычислительных систем

Основные сведения об электронно-вычислительной технике:

классификация, характеристики, принцип действия.

Аналоговая и цифровая ВТ. Гибридные ВМ.

Принципы организации цифровых вычислительных устройств (ЦВУ)

Келим Ю.М. Вычислительная техника, стр. 34 - 45

Кузин А.В., Жаворонков М.А. Микропроцессорная техника, стр. 4 - 9

Вычислительная техника ( ВТ ) − это совокупность устройств, предназначенных для автоматизированной обработки данных.

Вычислительная система (ВС) – это конкретный набор взаимодействующих между собой устройств и программ, предназначенный для обслуживания одного рабочего участка.

Центральным устройством большинства ВС является компьютер (ЭВМ).

Типы вычислительных машин (ВМ).

Компьютеры могут быть классифицированы по ряду признаков, в частности по принципу действия, назначению, способам организации вычислительного процесса, размерам и вычислительной мощности, функциональным возможностям, способности к параллельному выполнению программ и др.

Возможна следующая классификация ЭВМ:

– ЭВМ по принципу действия;

– ЭВМ по этапам создания;

– ЭВМ по назначению;

– ЭВМ по размерам и функциональным возможностям.

Классификация ЭВМ по принципу действия . Электронная вычислительная машина, компьютер — комплекс технических средств, предназначенных для автоматической обработки информации в процессе решения вычислительных и информационных задач.

По принципу действия вычислительные машины делятся на три больших класса:

Критерием деления вычислительных машин на эти три класса является форма представления информации, с которой они работают.

Цифровые вычислительные машины (ЦВМ) – вычислительные машины дискретного действия, работают с информацией, представленной в дискретной, а точнее, в цифровой форме.

Аналоговые вычислительные машины (АВМ) – вычислительные машины непрерывного действия, работают с информацией, представленной в непрерывной (аналоговой) форме, т.е. в виде непрерывного ряда значений какой-либо физической величины (чаще всего электрического напряжения). АВМ машины весьма просты и удобны в эксплуатации; программирование задач для решения на них, как правило, нетрудоемкое; скорость решения задач изменяется по желанию оператора и может быть сделана сколь угодно большой (больше, чем у ЦВМ), но точность решения задач очень низкая (относительная погрешность 2 –5%).На АВМ наиболее эффективно решать математические задачи, содержащие дифференциальные уравнения, не требующие сложной логики.

Гибридные вычислительные машины (ГВМ) – вычислительные машины комбинированного действия, работают с информацией, представленной и в цифровой, и в аналоговой форме; они совмещают в себе достоинства АВМ и ЦВМ. ГВМ целесообразно использовать для решения задач управления сложными быстродействующими техническими комплексами.

Наиболее широкое применение получили ЦВМ с электрическим представлением дискретной информации – электронные цифровые вычислительные машины, обычно называемые просто электронными вычислительными машинами (ЭВМ), без упоминания об их цифровом характере.

Классификация ЭВМ по этапам создания. По этапам создания и используемой элементной базе ЭВМ условно делятся на поколения:

1-е поколение, 50-е гг.: ЭВМ на электронно-вакуумных лампах;

2-е поколение, 60-е гг.: ЭВМ на дискретных полупроводниковых приборах (транзисторах);
3-е поколение, 70-е гг.: ЭВМ на полупроводниковых интегральных микросхемах с малой и средней степенью интеграции (сотни, тысячи транзисторов в одном корпусе);

4-е поколение, 80-е гг.: ЭВМ на больших и сверхбольших интегральных схемах-микропроцессорах (десятки тысяч — миллионы транзисторов в одном кристалле);

5-е поколение, 90-е гг.: ЭВМ с многими десятками параллельно работающих микропроцессоров, позволяющих строить эффективные системы обработки знаний; ЭВМ на сверхсложных микропроцессорах с параллельно-векторной структурой, одновременно выполняющих десятки последовательных команд программы;

6-е и последующие поколения: оптоэлектронных ЭВМ с массовым параллелизмом и нейронной структурой — с распределенной сетью большого числа (десятки тысяч) несложных микропроцессоров, моделирующих архитектуру нейронных биологических систем.

Каждое следующие поколение ЭВМ имеет по сравнению с предшествующим существенно лучшие характеристики. Так, производительность ЭВМ и емкость всех запоминающих устройств увеличиваются, как правило, больше чем на порядок.

Классификац ия ЭВМ по назначению . По назначению ЭВМ можно разделить на три группы:

– универсальные (общего назначения),

Универсальные ЭВМ предназначены для решения самых различных технических задач: экономических, математических, информационных и других задач, отличающихся сложностью алгоритмов и большим объемом обрабатываемых данных. Они широко используются в вычислительных центрах коллективного пользования и в других мощных вычислительных комплексах.

Проблемно-ориентированные ЭВМ служат для решения более узкого круга задач, связанных, как правило, с управлением технологическими объектами; регистрацией, накоплением и обработкой относительно небольших объемов данных; выполнением расчетов по относительно несложным алгоритмам; они обладают ограниченными по сравнению с универсальными ЭВМ аппаратными и программными ресурсами. К проблемно-ориентированным ЭВМ можно отнести, в частности, всевозможные управляющие вычислительные комплексы.

Специализированные ЭВМ используются для решения узкого крута задач или реализации строго определенной группы функций. Такая узкая ориентация ЭВМ позволяет четко специализировать их структуру, существенно снизить их сложность и стоимость при сохранении высокой производительности и надежности их работы. К специализированным ЭВМ можно отнести, например, программируемые микропроцессоры специального назначения; адаптеры и контроллеры, выполняющие логические функции управления отдельными несложными техническими устройствами, агрегатами и процессами, устройства согласования и сопряжения работы узлов вычислительных систем.

Классификация ЭВМ по размерам и функциональным возможностям . По размерам и функциональным возможностям ЭВМ можно разделить на:

Классификация по уровню специализации. По уровню специализации компьютеры делят на универсальные и специализированные. На базе универсальных компьютеров можно собирать вычислительные системы произвольного состава (состав компьютерной системы называется конфигурацией). Так, например, один и тот же персональный компьютер можно использовать для работы с текстами, музыкой, графикой, фото- и видеоматериалами.

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. Бортовые компьютеры управляют средствами ориентации и навигации, осуществляют контроль состояния бортовых систем, выполняют некоторые функции автоматического управления и связи, а также большинство функций оптимизации параметров работы систем объекта (например, оптимизацию расхода топлива объекта в зависимости от конкретных условий движения).

Специализированные мини-ЭВМ, ориентированные на работу с графикой, называют графическими станциями. Их используют при подготовке кино- и видеофильмов, а также рекламной продукции.

Специализированные компьютеры, объединяющие компьютеры предприятия в одну сеть, называют файловыми серверами.

Компьютеры, обеспечивающие передачу информации между различными участниками всемирной компьютерной сети, называют сетевыми серверами.

Тема 1.2. Характеристики и принцип действия ЭВМ.

Обобщенная структурная схема ЦВМ.

Характеристики и принцип действия ЭВМ.

Основные параметры ЭВМ.

Архитектура ЭВМ.

Келим Ю.М. Вычислительная техника, стр. 52 - 66

Кузин А.В., Жаворонков М.А. Микропроцессорная техника, стр. 9 - 13

1. Принципы построения ЭВМ

Основные принципы построения ЭВМ были сформулированы американским учёным Джоном фон Нейманом в 1946 году :

1. Любая ЭВМ для выполнения своих функций должна иметь минимальный набор функциональных блоков :

УУ – устройство управления. Организует процесс выполнения программ.

ОЗУ – оперативное запоминающее устройство (память), состоящее из перенумерованных ячеек. Хранит данные, адреса и команды, обладает высокой скоростью записи и чтения чисел.

УВВ – устройство ввода-вывода. Получают информацию извне, выводят её получателю.

2. Информация, с которой работает ЭВМ Информация кодируется в двоичной форме и делится на два типа:

набор команд по обработке (программы);

данные подлежащие обработке.

3. И команды, и данные вводятся в память (ОЗУ) – принцип хранимой программы .

4. Руководит обработкой процессор, устройство управления (УУ) которого выбирает команды из ОЗУ и организует их выполнение, а арифметико-логическое устройство (АЛУ) проводит арифметические и логические операции над данными.

5. С процессором и ОЗУ связаны устройства ввода-вывода (УВВ).

Архитектура ЭВМ

Архитектура вычислительной машины (англ. сomputer architecture) – концептуальная структура вычислительной машины, определяющая проведение обработки информации и включающая методы преобразования информации в данные и принципы взаимодействия технических средств и программного обеспечения.

Существует два вида архитектуры вычислительных машин:

с непосредственными связями (1-е и 2-е поколение ВМ)

на основе шины .

Типичным представителем первого способа может служить классическая фон-неймановская ВМ. В ней между взаимодействующими устройствами имеются непосредственные связи. Особенности связей (число линий в шинах, пропускная способность и т. п.) определяются видом информации, характером и интенсивностью обмена.

Структура современных персональных компьютеров отличается от классической структуры компьютера. Перечислим ниже основные отличия (особенности) :

АЛУ и УУ объединены в единое устройство, называемое микропроцессором (МП, центральный процессор, реализованный на СБИС), кроме того, в состав МП входит ряд других устройств, предназначенных для хранения, записи, считывания и обмена информацией;

применение специализированных устройств – контроллеров, которым передается часть функций МП, связанная с обменом информации и управлением работой устройств для ввода и вывода (внешних устройств) информации, такая децентрализация позволяет повысить эффективность работы компьютера в целом за счет сокращения времени простоя МП;

вместо отдельных линий связи между устройствами используется системная магистраль с соответствующими устройствами сопряжения. Наличие системной магистрали в персональном компьютере позволяет осуществить обмен информацией между устройствами компьютера, уменьшить число линий связи, подключить различные дополнительные устройства через соответствующие разъемные соединения и т. д.

Шина - это кабель, состоящий из множества проводников.

Магистраль – устройство, которое осуществляет взаимосвязь и обмен информацией между всеми устройствами компьютера. Магистраль включает в себя три многоразрядные шины, представляющие собой многопроводные линии: шину данных, шину адреса, шину управления .

По одной группе проводников - шине данных передаётся обрабатываемая информация, по другой - шине адреса - адреса памяти или внешних устройств, к которым обращается процессор. Третья часть магистрали - шина управления , по ней передаются управляющие сигналы (например, сигнал готовности устройства к работе, сигнал к началу работы устройства и др).

Системная шина характеризуется тактовой частотой и разрядностью. Количество одновременно передаваемых по шине бит называется разрядностью шины .

Тактовая частота характеризует число элементарных операций по передаче данных в 1 секунду. Разрядность шины измеряется в битах, тактовая частота – в мегагерцах.

Всякая информация, передаваемая от процессора к другим устройствам по шине данных, сопровождается адресом , передаваемым по адресной шине. Это может быть адрес ячейки памяти или адрес периферийного устройства. Необходимо, чтобы разрядность шины позволила передать адрес ячейки памяти. Таким образом, разрядность шины ограничивает объем оперативной памяти ЭВМ, он не может быть больше чем , где n – разрядность шины. Важно, чтобы производительности всех подсоединённых к шине устройств были согласованы. Неразумно иметь быстрый процессор и медленную память или быстрый процессор и память, но медленный винчестер.

В варианте с общей шиной все устройства вычислительной машины подключены к магистральной шине, служащей единственным трактом для потоков команд, данных и управления. Наличие общей шины существенно упрощает реализацию ВМ, позволяет легко менять состав и конфигурацию машины. Вместе с тем, именно с шиной связан и основной недостаток архитектуры: в каждый момент передавать информацию по шине может только одно устройство. Основную нагрузку на шину создают обмены между процессором и памятью, связанные с извлечением из памяти команд и данных и записью в память результатов вычислений. На операции ввода/вывода остается лишь часть пропускной способности шины.

МП – микропроцессор; ПП – постоянная память; ОП – оперативная память: ВК – видеоконтроллер; ПИ – последовательный интерфейс; И – интерфейсы других внешних устройств; К – контроллер; ЗК – звуковой контроллер: ИП – параллельный интерфейс; СА – сетевой адаптер; НГМД – накопитель на гибких магнитных дисках; НЖМД – накопитель на жестких магнитных дисках; НОД – накопитель на оптических дисках; НМЛ – накопитель на магнитной ленте; ПУ – печатающее устройство; БП – блок питания и УО – устройства охлаждения.

В современных ЭВМ реализован принцип открытой архитектуры, позволяющий пользователю самому комплектовать нужную ему конфигурацию компьютера и производить при необходимости её модернизацию.

Конфигурацией компьютера называют фактический набор компонентов ЭВМ, которые составляют компьютер. Принцип открытой архитектуры позволяет менять состав устройств ЭВМ. К информационной магистрали могут подключаться дополнительные периферийные устройства, одни модели устройств могут заменяться на другие.

Аппаратное подключение периферийного устройства к магистрали на физическом уровне осуществляется через специальный блок - контроллер (другие названия - адаптер, плата, карта). Для установки контроллеров на материнской плате имеются специальные разъёмы - слоты .

Программное управление работой периферийного устройства производится через программу - драйвер , которая является компонентой операционной системы. Так как существует огромное количество разнообразных устройств, которые могут быть установлены в компьютер, то обычно к каждому устройству поставляется драйвер, взаимодействующий непосредственно с этим устройством.

Связь компьютера с внешними устройствами осуществляется через порты – специальные разъёмы на задней панели компьютера. Различают последовательные и параллельные порты. Последовательные (COM – порты) служат для подключения манипуляторов, модема и передают небольшие объёмы информации на большие расстояния. Параллельные (LPT - порты) служат для подключения принтеров, сканеров и передают большие объёмы информации на небольшие расстояния. В последнее время широкое распространение получили последовательные универсальные порты (USB), к которым можно подключать различные устройства.

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.

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.

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.

Итак, благодаря двоичному кодированию, данные и программы по форме представления становятся одинаковыми, а следовательно, их можно хранить в единой памяти.

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?

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: