Принципы работы основных логических блоков вычислительных систем реферат
Обновлено: 08.07.2024
Вычислительная система – это конкретный набор взаимодействующих между собой устройств и программ (программно-аппаратный комплекс), предназначенный для обслуживания одного рабочего места.
Структуру ВС можно представить в виде пирамиды:
Прикладное программное обеспечение
Системное программное обеспечение
Управление логическими устройствами
Управление физическими устройствами
Аппаратные средства включают в себя физические устройства (состав оборудования), участвующие в автоматизированной обработке информации пользователя.
Управление физическими устройствами осуществляется программами, взаимодействующими с аппаратными структурами.
Управление логическими устройствами осуществляют программы, ориентированные на пользователя и не зависящие от физических устройств. На базе этого уровня могут создаваться новые логические ресурсы. Например, на одном жестком диске может быть создано несколько логических дисков, работа с которыми, с точки зрения пользователя, ничем не отличается от работы с несколькими физическими дисками.
Системное программное обеспечение – это комплекс программ, предназначенных для обеспечения работы компьютеров и сетей ЭВМ.
Прикладное программное обеспечение – это комплекс взаимосвязанных программ для решения задач определенного класса конкретной предметной области.
Программное управление распределением сигналов осуществляется автоматически.
Управление распределением сигналов может производиться вручную с помощью внешних органов управления – кнопок, переключателей и т. п. В современных компьютерах внешнее управление в значительной степени автоматизировано благодаря использованию специальных аппаратно-логических интерфейсов, к которым подключаются внешние устройства управления и ввода данных: мышь, джойстик, клавиатура и др. Такое управление называют интерактивным.
Конфигурацией вычислительной системы называют ее состав, включающий аппаратные и программные средства, которые принято рассматривать отдельно. Принцип разделения вычислительной системы на аппаратную и программную конфигурацию имеет для информатики особое значение, так как очень часто решение одной и той же задачи может обеспечиваться как аппаратными, так и программными средствами. Критерием выбора при этом являются производительность и эффективность. Однако нельзя забывать, что такое разделение является условным, поскольку программное и аппаратное обеспечение работают в компьютере в неразрывной связи и в непрерывном взаимодействии.
Аппаратную конфигурацию вычислительной системы образует совокупность оборудования, подключенного к компьютеру. Современные компьютеры и вычислительные комплексы имеют блочно-модульную конструкцию (аппаратную конфигурацию), которую можно собирать из готовых узлов и блоков.
Программной конфигурацией вычислительной системы называют совокупность программ, установленных на компьютере. Программы для ЭВМ— это форма представления данных и команд, предназначенных для получения определенных результатов. Работа компьютерных программ имеет многоуровневый характер.
На каждом рабочем месте программно-аппаратная конфигурация создается такой, чтобы наиболее эффективно решать конкретные практические задачи. Разные компьютеры могут быть близкими по своей архитектуре и функциональному назначению, но иметь разную программно-аппаратную конфигурацию.
Наряду с аппаратным и программным обеспечением в вычислительных системах в некоторых случаях рассматривают информационное и математическое обеспечение.
Под информационным обеспечением понимают совокупность программ и предварительно подготовленных данных для работы этих программ. Например, в текстовом редакторе для работы системы автоматической проверки орфографии, кроме аппаратного и программного обеспечения, необходимо иметь специальные наборы словарей, содержащие заранее заготовленный эталонный массив данных.
Принцип работы вычислительной системы
Основными элементами современных ЭВМ являются цифровые устройства. Вычислительные машины были сконструированы с использованием реле. Работу таких элементов удобно описывать с помощью двоичной системы счисления и алгебры логики.
Все цифровые устройства делятся на два класса: комбинационные ЦУ и последовательностные ЦУ (или цифровые автоматы).
В комбинационных цифровых устройствах выходной сигнал в каждый момент времени зависит только от сочетания (комбинации) входных сигналов.
К таким ЦУ относятся: шифраторы, дешифраторы, мультиплексоры, демультиплексоры, преобразователи кодов, сумматоры, арифметико-логические устройства, логические элементы (И, ИЛИ, И-НЕ, ИЛИ-НЕ, Исключающее ИЛИ и др.).
Состояние последовательностных ЦУ зависит не только от входных сигналов, но и от предшествующего состояния ЦУ.
Эти элементы обладают памятью.
К последовательностным цифровым устройствам относятся триггеры, счетчики, регистры.
Важной составной частью архитектуры ЭВМ является система команд.
Система команд любой ЭВМ обязательно содержит следующие группы команд обработки информации:
1. Команды передачи данных, копирующие информацию из одного места в другое.
2. Арифметические операции. К основным арифметическим действиям обычно относятся сложение и вычитание (вычитание в конечном счете чаще всего тем или иным способом также сводится к сложению). Умножение и деление во многих ЭВМ выполняются по специальным программам.
3. Логические операции, позволяющие компьютеру анализировать обрабатываемую информацию: сравнение, а также известные логические операции И, ИЛИ, НЕ (инверсия). Кроме того, к ним часто добавляются анализ отдельных битов кода, их сброс и установка.
4. Сдвиги двоичного кода влево и вправо. Для доказательства важности этой группы команд достаточно вспомнить правило умножения столбиком: каждое последующее произведение записывается в такой схеме со сдвигом на одну цифру влево. В некоторых частных случаях умножение и деление вообще может быть заменено сдвигом (вспомните, что, дописав или убрав ноль справа, то есть, фактически осуществляя сдвиг десятичного числа, можно увеличить или уменьшить его в 10 раз).
Базовые логические операции и элементы. Таблицы истинности. Логические узлы ЭВМ и их классификация. Сумматоры, дешифраторы, шифраторы, мультиплексоры. Триггеры: УГО и таблицы истинности RS-, JK- и Т-триггера. Регистры.
Элементами ЭВМ называют устройства, выполняющие логические функции, запоминающие информацию, преобразующие её и формирующие и усиливающие сигналы.
В качестве устройства, запоминающего информацию в элементах, используют триггер - устройство, обладающее двумя устойчивыми состояниями. Одно состояние триггера принимается за логическую 1, а другое за логический 0. По способу переключения и по закону функционирования триггеры можно разделить на следующие группы: RS-триггеры с раздельной установкой 0 и 1, D-триггеры задержки, универсальные JK-триггеры, счётные Т-триггеры.
Условное графическое обозначение (УГО) RS-триггера приведено на рисунке 2
Рисунок 2 – RS – триггер с прямыми входами. УГО
Выход триггера принято обозначать буквой Q. Состояние триггера определяется логическим уровнем на этом выходе
Триггер, как правило, имеет два выхода: прямой и инверсный .Состояние триггера определяется логическим уровнем на его прямом выходе.
Значение на инверсном выходе всегда противоположно значению на прямом выходе.
Название триггеров определяется первыми буквами английских слов: S (set - установить); R (reset - выключить): Т (toggle - релаксатор); J (jerk - резко включить); К (kill - резко выключить): D (delay - задержка).
RS-триггеры с раздельной установкой 0 и 1. Простейший RS-триггер имеет два входа: R и S. При комбинации входных сигналов S=1, R=0 триггер устанавливается в единичное состояние Q=l, при входных сигналах S=0, R=l - в состояние Q=0, при S=0, R=0 триггер сохраняет своё состояние. Если на входы: R и S подать 1, то его выходной сигнал не определён, так как триггер при этом находится в неустойчивом состоянии. В связи с этим комбинация входных сигналов R=l, S=1 для RS-триггера является запрещённой.
На рисунке 3 приведены принципиальные схемы RS-триггеров, реализованных на элементах И-НЕ, ИЛИ-НЕ.
 |  |
Рисунок 3 – RS-триггер. Схемы принципиальные
а) с прямыми входами
б) с инверсными входами
Синхронный (тактируемый) RS-триггер имеет управляющий сигнал С на входе (clock - основная синхронизация), который при С=1 разрешает переключение по закону RS-триггера, при С=0 триггер сохраняет своё состояние.
D-триггер задержки. D-триггер имеет один информационный вход D и вход для синхронизирующего импульса С. Основное назначение D-триггера - задержка и хранение сигнала, поданного на вход D при С=1.
Его УГО приведено на рисунке 4.
Рисунок 4 – D – триггер. УГО
JK-триггер универсальный. JK-триггер работает по правилу RS-триггера и отличается от последнего тем, что комбинация сигналов J=K=1 не является запретной. При этих сигналах JK -триггер изменяет своё состояние на обратное тому, в котором он находился. Условное графическое обозначение этого триггера приведено на рисунке 5.
Рисунок 5 – JK-триггер. УГО
- базовые логические элементы;
- классификацию цифровых устройств;
- основные логические узлы ЭВМ;
- УГО основных логических узлов.
- составлять таблицы истинности;
- составлять схемы простых логических узлов ЭВМ.
Тема 2.2Основы построения ЭВМ
Понятие архитектуры и структуры компьютера. Принципы (архитектура) фон Неймана. Основные компоненты ЭВМ, их назначение и взаимодействие. Основные типы архитектур ЭВМ.
Роль языка в формировании личности: Это происходит потому, что любой современный язык – это сложное .
Информатика, как никакая другая область знаний, характеризуется чрезвычайно высокой степенью динамики изменений. Кроме того, учитывая ее всепроникающий характер, благодаря которому происходят интеграция знаний, идей, в настоящее время трудно очертить границы информатики.
Информатика и связанные с ней информационные технологии - необходимый атрибут профессиональной пригодности в обществе.
Информатика служит, прежде всего, для формирования определенного мировоззрения в информационной сфере и освоение информационной культуры, т.е. умение целенаправленно работать с информацией, профессионально используя ее для получения, обработки и передачи компьютерную информационную технологию и соответствующие ей технические и программные средства.
Информатизация обеспечит переход общества от индустриального этапа развития к информационному. Информационный рынок предоставит потребителям все необходимые информационные продукты и услуги, а их производство обеспечит индустрии информатики, часто называемая информационной индустрией. Все эти вопросы сейчас активно обсуждаются в печати, хотя до сих пор нет единого мнения относительно времени путей развития, понимания приоритетности того или иного направления, формулировок и понятий и т.п.
Целью контрольной работы является изучение логических основ работы ЭВМ, основных понятий и операций алгебры логики, а также прикладного программного обеспечения.
1. Логические основы работы ЭВМ. Основы понятия и операции алгебры логики
Для анализа и синтеза схем в ЭВМ при алгоритмизации и программировании решения задач широко используется математический аппарат алгебры логики.
Алгебра логики - это раздел математической логики, значение всех элементов (функций и аргументов) которой определены в двухэлементном множестве: 0 и 1. Алгебра логики оперирует с логическими высказываниями.
В алгебре логики все высказывания обозначают буквами а, Ь, с и т.д. Содержание высказываний учитывается только при введении их буквенных обозначений, и в дальнейшем с ними можно производить любые действия, предусмотренные данной алгеброй. Причем если над исходными элементами алгебры выполнены некоторые разрешенные в алгебре логики операции, то результаты операций также будут элементами этой алгебры.
Простейшими операциями в алгебре логики являются операции логического сложения (иначе, операция ИЛИ, операция дизъюнкции) к логического умножения (иначе, операция И операция конъюнкции). Для обозначения операции логического сложения используют символы + или V , а логического умножения -- символы * *Л.
Правила выполнения операций в алгебре логики определяются рядом аксиом, теорем следствий. В частности, для алгебры логики выполняются законы:
Тема 3.1 Организация ЭВМ. Блок схема.
Компьютер представляет собой устройство, способное исполнять четко определенную последовательность операций, предписанную программой. Персональный компьютер (ПК) характерен тем, что им может пользоваться один человек, не прибегая к помощи бригады обслуживающего персонала и не отводя под него специального зала с поддержанием климата, мощной системой электропитания и прочими атрибутами больших вычислительных машин. Этот компьютер обычно сильно ориентирован на интерактивное взаимодействие с одним пользователем (в играх иногда и с двумя), причем взаимодействие происходит через множество сред общения - от алфавитно-цифрового и графического диалога с помощью дисплея, клавиатуры и мыши до устройств виртуальной реальности, в которой пока не задействованы, наверное, только запахи .
Когда используется аббревиатура PC (Personal Computer), подразумевается ПК, совместимый с самым массовым семейством персональных компьютеров фирмы IBM (Intel) и их клонов. PC может быть использован и коллективно: возможности многих компьютеров этого семейства позволяют использовать их и в качестве серверов в сетях или локальных многотерминальных системах. Таким образом, можно объяснить словосочетание PC-сервер, которое неявно предполагает повышенную мощность (скорость вычислений, объем оперативной и внешней памяти) и особое конструктивное исполнение (просторный корпус) компьютера. Словосочетание ПК-сервер уже звучит странновато, хотя в одноранговых сетях и этому словосочетанию можно найти объяснение - персональный компьютер может предоставлять свои ресурсы (например, дисковое пространство, принтеры или модемы) другим компьютерам, для которых он будет являться невыделенным сервером.
Попутно отметим и термин рабочая, станция (Workstation, WS), в который может быть вложено два значения. В компьютерной сети рабочей станцией называют компьютер пользователя (как противоположность серверу). Однако рабочая станция может быть и отдельно стоящим (Standalone Computer), но особенно мощным компьютером (его подключение к сети, конечно же, не исключается). В этом случае часто подразумевается архитектура, отличающаяся от IBM PC-совместимой (например, компьютер на RISC-процессоре). Для мощного IBM PC-совместимого компьютера применяют англоязычный термин High End PC, которому короткого русского аналога пока нет.
Любой компьютер имеет три основные составные части: процессор, память и периферийные устройства. Они взаимодействуют между собой с помощью шин, стандартизация которых делает архитектуру компьютеров открытой.
Процессор является основным "мозговым" узлом, в задачу которого входит исполнение программного кода, находящегося в памяти. В настоящее время под словом "процессор" подразумевают микропроцессор - микросхему, которая, кроме собственно процессора, может содержать и другие узлы - например, кэш-память. Процессор в определенной последовательности выбирает из памяти инструкции и исполняет их. Инструкции процессора предназначены для пересылки, обработки и анализа данных, расположенных в пространствах памяти и портов ввода/вывода, а также организации ветвлений и переходов в вычислительном процессе. В компьютере обязательно должен присутствовать центральный процессор (CPU - Central Processing Unit) , который исполняет основную программу.
В многопроцессорной системе функции центрального процессора распределяются между несколькими обычно идентичными процессорами для повышения общей производительности системы, а один из них назначается главным. В помощь центральному процессору в компьютер часто вводят сопроцессоры, ориентированные на эффективное исполнение каких-либо специфических функций. Широко распространены математические сопроцессоры, эффективно обрабатывающие числовые данные в формате с плавающей точкой; графические сопроцессоры, выполняющие геометрические построения и обработку графических изображений; сопроцессоры ввода-вывода, разгружающие центральный процессор от несложных, но многочисленных операций взаимодействия с периферийными устройствами.
.Рис. 3.1 Структурная схема персонального компьютера
Возможны и другие сопроцессоры, однако все они несамостоятельны - исполнение основного вычислительного процесса осуществляется центральным процессором, который в соответствии с программой выдает "задания" сопроцессорам на исполнение их "партий". Память компьютера предназначена для кратковременного и долговременного хранения информации - кодов команд и данных. Информация в памяти хранится в двоичных кодах, каждый бит - элементарная ячейка памяти - может принимать значение "О" или "1". Каждая ячейка памяти имеет свой адрес, однозначно ее идентифицирующий в определенной системе координат. Минимальной адресуемой единицей хранения информации в памяти обычно является байт, состоящий, как правило, из 8 бит.
Со времени появления больших (по размерам) компьютеров сложилось деление памяти на внутреннюю и внешнюю. Под внутренней подразумевалась память, расположенная внутри процессорного "шкафа" (или плотно к нему примыкающая). Сюда входила и электронная и магнитная память (на магнитных сердечниках). Внешняя память представляла собой отдельные устройства с подвижными носителями - накопители на магнитных дисках (а сначала - на барабанах) и ленте. Со временем все устройства компьютера удалось поселить в один небольшой корпус, и прежнюю классификацию памяти применительно к PC можно переформулировать так:
1. устанавливаемая на системной плате или на платах расширения;
2. внешняя память - память, реализованная в виде устройств с различными принципами хранения информации и обычно с подвижными носителями. В настоящее время сюда входят устройства магнитной (дисковой и ленточной) памяти, оптической и магнитооптической памяти. Устройства внешней памяти могут размещаться как в системном блоке компьютера, так и в отдельных корпусах, достигающих иногда внутренняя память - электронная (полупроводниковая) память, и размеров небольшого шкафа.
Для процессора непосредственно доступной является внутренняя память, доступ к которой осуществляется по адресу, заданному программой. Для внутренней памяти характерен одномерный (линейный) адрес, который представляет собой одно двоичное число определенной разрядности. Внутренняя память подразделяется на оперативную, информация в которой может изменяться процессором в любой момент времени, и постоянную, информацию которой процессор может только считывать. Обращение к ячейкам оперативной памяти может происходить в любом порядке, причем как по чтению, так и по записи, и оперативную память называют памятью с произвольным доступом - Random Access Memory (RAM) - в отличие от постоянной памяти (Read Only Memory, ROM). Внешняя память адресуется более сложным образом - каждая ее ячейка имеет свой адрес внутри некоторого блока, который, в свою очередь, имеет многомерный адрес.
Во время физических операций обмена данными блок может быть считан или записан только целиком. В случае одиночно го дискового накопителя адрес блока будет трехмерным: номер поверхности (головки), номер цилиндра и номер сектора. В современных накопителях этот трехмерный адрес часто заменяют линейным номером - логическим адресом блока, а его преобразованием в физический адрес занимается внутренний контроллер накопителя. Поскольку дисковых накопителей в компьютере может быть множество, в адресации дисковой памяти участвует и номер накопителя, а также номер канала интерфейса. С такой сложной системой адресации процессор справляется только с помощью программного драйвера, в задачу которого в общем случае входит копирование некоторого блока данных из оперативной памяти в дисковую и обратно.
Дисковая память является внешней памятью с прямым доступом, что подразумевает возможность обращения к блокам (но не ячейкам) в произвольном порядке. Память на ленточных носителях имеет самый неудобный метод доступа - последовательный. В ней информация хранится также в виде блоков фиксированной или переменной длины, и в пределах одного носителя эти блоки имеют последовательные адреса. Для доступа к какому-либо блоку устройство должно найти некоторый маркер начала ленты (тома), после чего последовательным холостым чтением блока за блоком дойти до требуемого места и только тогда производить сами операции обмена данными. С такими неудобствами мирятся только потому, что ленточные носители являются самым дешевым хранилищем для больших объемов информации, к которой не требуется оперативного доступа. Для подсистемы памяти важными параметрами являются следующие:
1. объем хранимой информации. Нет необходимости объяснять, что чем он больше, тем лучше. Максимальный (в принципе неограниченный) объем хранят ленточные и дисковые устройства со сменными носителями, за ними идут дисковые накопители, и завершает этот ряд оперативная память;
2. время доступа - усредненная задержка начала обмена полезной информацией относительно появления запроса на данные. Минимальное время доступа имеет оперативная память, за ней идет дисковая и после нее - ленточная;
3. скорость обмена при передаче потока данных (после задержки на время доступа). Максимальную скорость обмена имеет оперативная память(6-100ns), за ней идет дисковая ( 1- 10ms)и после нее - ленточная;
4. удельная стоимость хранения единицы данных - цена накопителя (с носителями), отнесенная к единице хранения (байту или мегабайту).
Минимальную стоимость хранения имеют ленточные устройства со сменными носителями, их догоняют дисковые накопители, а самая дорогая - оперативная память. Кроме этих параметров имеется и ряд других характеристик - энергонезависимость (способность сохранения информации при отключении внешнего питания), устойчивость к внешним воздействиям, время хранения, конструктивные особенности (размер, вес) и т. п. У каждого типа памяти имеются различные реализации со своими достоинствами и недостатками. Внутренняя и внешняя память используются существенно различными способами. Внутренняя (оперативная и постоянная) память является хранилищем программного кода, который непосредственно может быть исполнен процессором. В ней же хранятся и данные, также непосредственно доступные процессору (а следовательно, и исполняемой программе). Внешняя память обычно используется для хранения файлов, содержимое которых может быть произвольным. Процессор (программа) имеет доступ к содержимому файлов только опосредованное через отображение их (полное или частичное) в некоторой области оперативной памяти. Исполнить программный код или обратиться к данным непосредственно на диске процессор не может в принципе.
То же относится, естественно, и к ленточной памяти. Однако реальная жизнь много образнее этой упрощенной схемы, и на практике дисковая и оперативная память переплетаются сложным образом. Главный недостаток дисковой памяти - большое время доступа и низкая скорость обмена - устраняется при использовании виртуального диска, представляющего собой своеобразно используемую область оперативной памяти. В этой области хранятся файлы, и с точки зрения операционной системы (и, тем более, прикладной программы) она выглядит как обычный, но очень быстрый диск. Конечно же, его объем ограничен, и этот объем вычитается из объема физически установленной памяти, доступной процессору в качестве обычной оперативной. Кроме того, виртуальный диск в отличие от реального не является энергонезависимым.
Периферийные устройства связывают компьютер с внешним миром, и без них он был бы "вещью в себе". Список устройств, делающих компьютер "вещью для нас", практически неограничен. Сюда входят устройства ввода - клавиатура, манипуляторы "мышь", "трекбол", джойстики, сканеры, устройства оцифровки звука и видео изображений; устройства вывода - алфавитно-цифровые и графические мониторы, принтеры, плоттеры, акустические системы и прочие устройства в великом множестве их разновидностей; коммуникационные устройства - модемы, адаптеры локальных и глобальных сетей. Сюда же часто относят дисковые и ленточные устройства хранения информации, но по выполняемым функциям, по-моему, их все-таки лучше включать в подсистему памяти. Кроме того, к компьютеру можно подключать датчики и исполнительные устройства технологического оборудования, различные приборы - в общем все, что в конечном итоге может вырабатывать электрические сигналы и (или) ими управляться.
Периферийные устройства подключаются к компьютеру через внешние интерфейсы или с помощью специализированных адаптеров или контроллеров, встраиваемых в системную плату или размещаемых на платах (картах) расширения. Адаптер является средством сопряжения какого-либо устройства с какой-либо шиной компьютера. Контроллер служит тем же целям сопряжения, но при этом подразумевается его некоторая активность - способность к самостоятельным действиям после получения команд от обслуживающей его программы. Сложный контроллер может иметь в своем составе и собственный процессор. На эти тонкости терминологии не всегда обращают внимание, и понятия "адаптер" и "контроллер" считают почти синонимами. Все внешние интерфейсы компьютера, естественно, тоже имеют свои адаптеры или контроллеры. Для взаимодействия с программой (с помощью процессора или сопроцессоров) адаптеры и контроллеры периферийных устройств обычно имеют регистры ввода и вывода, которые могут располагаться либо в адресном пространстве памяти, либо в специальном пространстве портов ввода/вывода. Кроме того, используются механизмы аппаратных прерываний для сигнализации программе о событиях, происходящих в периферийных устройствах.
Для обмена информацией с периферийными устройствами применяется и механизм прямого доступа к памяти DMA (Direct Memory Acces). Контроллер DMA можно считать простейшим сопроцессором ввода/вывода, разгружающим центральный процессор от рутинных операций обмена.
Таково в общих чертах устройство компьютера (естественно, подразумевается и наличие корпуса с блоком питания). Однако этот набор "железок" не имеет практической ценности без программного обеспечения, которое в компьютере имеет многоуровневую организацию. Часть программного обеспечения хранится в постоянной (энергонезависимой) памяти и обеспечивает тестирование и запуск при включении, загрузку операционной системы и связь операционной системы с аппаратными средствами компьютера.
Читайте также: