Технические средства обработки информации

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию

Курганский государственный университет

Кафедра информационных технологий и методики преподавания информатики

Контрольная работа

по дисциплине: Информатика

тема: Технические средства обработки информации

Введение

Технические средства обработки информации делятся на две большие группы. Это основные и вспомогательные средства обработки.

Вспомогательные средства - это оборудование, обеспечивающее работоспособность основных средств, а также оборудование, облегчающее и делающее управленческий труд комфортнее. К вспомогательным средствам обработки информации относятся средства оргтехники и ремонтно-профилактические средства. Оргтехника представлена весьма широкой номенклатурой средств, от канцелярских товаров, до средств доставления, размножения, хранения, поиска и уничтожения основных данных, средств административно производственной связи и так далее, что делает работу управленца удобной и комфортной.

Основные средства - это орудия труда по автоматизированной обработке информации. Известно, что для управления теми или иными процессами необходима определенная управленческая информация, характеризующая состояния и параметры технологических процессов, количественные, стоимостные и трудовые показатели производства, снабжения, сбыта, финансовой деятельности и т.п. К основным средствам технической обработки относятся: средства регистрации и сбора информации, средства приема и передачи данных, средства подготовки данных, средства ввода, средства обработки информации и средства отображения информации.

1. Вычислительная техника

1.1 История ВТ

Люди учились считать, используя собственные пальцы. Когда этого оказалось недостаточно, возникли простейшие счетные приспособления. Особое место среди них занял АБАК, получивший в древнем мире широкое распространение.

Сделать абак совсем несложно, достаточно разлиновать столбцами дощечку или просто нарисовать столбцы на песке. Каждому из столбцов присваивалось значение разряда чисел: разряд единиц, десятков, сотен, тысяч. Числа обозначались набором камешков, ракушек, веточек и т.п., раскладываемых по различным столбцам - разрядам. Добавляя или убирая из соответствующих столбцов то или иное количество камешков, можно было производить сложение или вычитание и даже умножение и деление как многократное сложение и вычитание соответственно.

Очень похожи на абак по принципу действия русские счеты. В них вместо столбцов - горизонтальные направляющие с косточками. На

Руси счетами пользовались просто виртуозно. Они были незаменимым инструментом торговцев, приказчиков, чиновников. Из России этот простой и полезный прибор проник и в Европу.

Первым механическим счетным устройством была счетная машина, построенная в 1642 году выдающимся французским ученым Блезом Паскалем. Механический «компьютер» Паскаля мог складывать и вычитать. «Паскалина» - так называли машину - состояла из набора вертикально установленных колес с нанесенными на них цифрами от 0 до 9. При полном обороте колеса оно сцеплялось с соседним колесом и поворачивало его на одно деление. Число колес определяло число разрядов - так, два колеса позволяли считать до 99, три - уже до 999, а пять колес делали машину «знающей» даже такие большие числа как 99999. Считать на «Паскалине» было очень просто.

В 1673 году немецкий математик и философ Готфрид Вильгельм Лейбниц создал механическое счетное устройство, которое не только складывало и вычитало, но и умножало и делило.

Числовые колеса, теперь уже зубчатые, имели зубцы девяти различных длин, и вычисления производились за счет сцепления колес. Есть в истории вычислительной техники ученые, чьи имена, связанные с наиболее значительными открытиями в этой области, известны сегодня даже неспециалистам. Среди них английский математик Х1Х века Чарльз Бэббидж, которого часто называют «отцом современной вычислительной техники». В 1823 году Бэббидж начал работать над своей вычислительной машиной, состоявшей из двух частей: вычисляющей и печатающей. Первая, вычисляющая часть машины была почти закончена к 1833 году, а вторую, печатающую, удалось довести почти до половины, когда расходы превысили 17000 фунтов стерлингов (около 30000 долларов). Больше денег не было, и работы пришлось закрыть.

Хотя машина Бэббиджа и не была закончена, ее создатель выдвинул идеи, которые и легли в основу устройства всех современных компьютеров. Бэббидж пришел к выводу - вычислительная машина должна иметь устройство для хранения чисел, предназначенных для вычислений, а также указаний (команд) машине о том, что с этими числами делать. Следующие одна за другой команды получили название «программы» работы компьютера, а устройство для хранения информации назвали «памятью» машины. Однако хранение чисел даже вместе с программой - только полдела. Главное - машина должна производить с этими числами указанные в программе операции. Бэббидж понял, что для этого в машине должен быть специальный вычислительный блок - процессор. Именно по такому принципу и устроены современные компьютеры.

Научные идеи Бэббиджа увлекли дочь знаменитого английского поэта лорда Джорджа Байрона - графиню Аду Августу Лавлейс. В то время еще не было таких понятий, как программирование для ЭВМ, но тем не менее Аду Лавлейс по праву считают первым в мире программистом - так сейчас называют людей, способных «объяснить» на понятном машине языке ее задачи. Дело в том, что Бэббидж не оставил ни одного полного описания изобретенной им машины. Это сделал один из его учеников в статье на французском языке. Ада Лавлейс перевела ее на английский, добавив собственные программы, по которым машина могла бы проводить сложные математические расчеты. В результате первоначальный объем статьи вырос втрое, а Бэббидж получил возможность продемонстрировать мощь своей машины. Многими понятиями, введенными Адой Лавлейс в описаниях тех первых в мире программ, широко пользуются современные программисты. В честь первого в мире программиста назван один из самых современных и совершенных языков компьютерного программирования - АДА.

Новинки техники ХХ века оказались неразрывно связанными с электричеством. Вскоре после появления электронных ламп, в 1918 году советский ученый М.А.Бонч-Бруевич изобрел ламповый триггер - электронное устройство, способное запоминать электрические сигналы. По принципу действия триггер похож на качели с защелками, установленными в верхних точках качания. Достигнут качели одной верхней точки - сработает защелка, качание остановится, и в этом устойчивом состоянии они могут быть как угодно долго. Откроется защелка - качание возобновится до другой верхней точки, здесь также сработает защелка, снова остановка, и так - сколько угодно раз. По тому, где окажутся качели через некоторое время после их установки в известном положении, можно судить, открывали защелку или нет. Качели как бы запоминают открывание защелки - также и электронный триггер запоминает, поступал на него электрический сигнал или нет.

Один триггер, запоминая один сигнал, позволяет считать только до одного, но уже несколько триггеров расширяют вычислительные возможности. Если теперь придумать способ регистрации с помощью группы триггеров не только единичных сигналов, но и их десятков, сотен, тысяч - появляется возможность применить этот способ в электронно-вычислительной машине. 5 июля 1943 года ученые Пенсильванского университета в США подписывают контракт, по которому они создают первый в мире электронный компьютер, известный под названием ЭНИАК. Ничего не значащее на русском языке название произошло от сокращения довольно длинного английского наименования -«электронный цифровой компьютер». 15 февраля 1946 года ЭНИАК официально ввели в строй.

Первые компьютеры считали в тысячи раз быстрее механических счетных машин, но были очень громоздкими. ЭВМ занимала помещение размером 9х15 м, весила около 30 тонн и потребляла 150 киловатт в час. В такой ЭВМ было около 18 тысяч электронных ламп.

1.2 Поколения ЭВМ

Можно выделить 4 основные поколения ЭВМ. Но деление компьютерной техники на поколения -- весьма условная, нестрогая классификация по степени развития аппаратных и программных средств, а также способов общения с компьютером.

Идея делить машины на поколения вызвана к жизни тем, что за время короткой истории своего развития компьютерная техника проделала большую эволюцию, как в смысле элементной базы (лампы, транзисторы, микросхемы и др.), так и в смысле изменения её структуры, появления новых возможностей, расширения областей применения и характера использования. Этот прогресс показан в данной таблице:

Таблица №1.Поколение ЭВМ.

Поколения ЭВМ	Характеристики
	I	II	III	IV
Годы применения	1946-1958	1958-1964	1964-1972	1972 - настоящее время
Основной элемент	Эл. лампа	Транзистор	ИС	БИС
Количество ЭВМ в мире (шт.)	Десятки	Тысячи	Десятки тысяч	Миллионы
Быстродействие (операций в секунду)	103-144	104-106	105-107	106-108
Носитель информации	Перфокарта, Перфолента	Магнитная Лента	Диск	Гибкий и лазерный диск
Размеры ЭВМ	Большие	Значительно меньше	Мини-ЭВМ	микроЭВМ

За относительно небольшой период своего развития ЭВМ прошли путь нескольких поколений. Каждое поколение ЭВМ характеризуется определенной совокупностью логической организации (архитектуры) и используемой конструктивно-технологической (главным образом элементной) базы.

Основным элементом ЭВМ первого поколения была электронная лампа. Промышленный выпуск и эксплуатация таких ЭВМ начались в 50-х годах. К первому поколению относятся отечественные ЭВМ БЭСМ-1, БЭСМ-2, «Урал-1», «Урал-2», «Стрела», М-2, М-3, «Минск-1», М-20 и другие, ориентированные в основном на решение научно-технических задач.

Машины первого поколения были весьма громоздки, потребляли большое количество энергии и имели невысокую надежность. Их производительность не превышала 10--20 тыс. оп/с, а емкость основной памяти -- 4 К машинных слов (где К = 210 = 1024). В ЭВМ первого поколения, по существу, не было системы программного обеспечения. Программирование было детализировано до уровня машинных команд и выполнялось пользователями на машинном языке данной ЭВМ. Пользователь также осуществлял ввод и отладку программ, обеспечивал управление вычислительным процессом при возникновении непредвиденных или недопустимых ситуаций.

Несмотря на указанные недостатки, ЭВМ первого поколения продемонстрировали определенные возможности для автоматизации вычислительных работ, в частности в области космических исследований, ядерной физики и др., способствовали накоплению опыта по применению ЭВМ в других отраслях народного хозяйства.

В конце 50-х годов появились отечественные ЭВМ второго поколения. Их элементной базой стали полупроводниковые приборы -- транзисторы, что позволило существенно повысить производительность и надежность ЭВМ при одновременном уменьшении ее габаритных размеров, массы и потребляемой мощности.

В ЭВМ второго поколения широко использовался печатный монтаж, при котором необходимые электрические соединения между элементами создавались вытравливанием фольги, нанесенной на изоляционный материал.

В СССР были созданы различные по назначению и возможностям полупроводниковые ЭВМ второго поколения, в том числе БЭСМ-4, «Урал-14», «Урал-16», Минск-22», «Минск-32», М-220, М-222, «Мир», «Раздан», «Наири» и многие другие. Производительность этих ЭВМ не превышала 50--100 тыс. оп/с, а емкость основной памяти -- 32 К машинных слов. Среди машин второго поколения особо выделяется БЭСМ-6 с производительностью около 1 млн. оп/с и емкостью основной памяти до 128 К машинных слов.

В машинах второго поколения получило также развитие программное обеспечение, в частности зародилось так называемое системное программирование, позволившее установить определенное взаимодействие между разрозненными наборами различных программ в процессе их выполнения. Комплексы таких системных программ были первоначально названы операционными системами.

Для повышения производительности труда программистов стали применяться различные алгоритмические языки (Алгол, Фортран и др.), а также библиотечные наборы стандартных программ. В результате развития средств программного обеспечения значительно расширилась сфера применения вычислительной техники, появились ЭВМ не только для научно-технических расчетов, но и для решения планово-экономических задач, управления различными производственно-технологическими процессами и т. д.

Последующее интенсивное развитие радиоэлектроники привело в 60-х годах к созданию интегральных схем (ИС), а на их основе -- к разработке ЭВМ третьего поколения. Интегральная схема является функционально законченным блоком, эквивалентным по своим логическим возможностям достаточно сложной транзисторной схеме. Она представляет собой пластину полупроводникового материала (обычно кремния), в поверхностном слое которой методами микроэлектронной технологии формируются области, выполняющие функции транзисторов, диодов, резисторов и других компонентов схемы.

ЭВМ третьего поколения характеризуются значительным увеличением производительности и емкости памяти, существенным повышением надежности и вместе с тем уменьшением потребляемой мощности, массы и занимаемой площади. Конструктивно машины третьего поколения состоят из типовых элементов и узлов, обеспечивающих высокую плотность компоновки, необходимую помехозащищенность, а, также устойчивость к механическим и климатическим воздействиям.

Значительное внимание в машинах третьего поколения было уделено совершенствованию средств программного обеспечения с точки зрения наиболее эффективного использования технических возможностей ЭВМ, максимальной автоматизации вычислительного процесса, уменьшения трудоемкости подготовки и отладки программ пользователей. В результате этого, начиная с ЭВМ третьего поколения разрозненные средства программного обеспечения, превратились в целостную систему.

Отличительной особенностью ЭВМ третьего (и последующих) поколений стала возможность их работы в мультипрограммном режиме - многозадачность, при котором за счет организации параллельной работы основных устройств ЭВМ обеспечивается одновременное выполнение программ различных пользователей, повышается эффективность использования ЭВМ и уменьшаются возможные простои ее дорогостоящего оборудования. С применением мультипрограммного режима ЭВМ превратилась в вычислительный инструмент нового качества. Теперь на базе ЭВМ стало возможным создание вычислительных систем, одновременно обрабатывающих программы нескольких пользователей, которые могут находиться от ЭВМ на значительном расстоянии и непосредственно общаться с ней независимо друг от друга.

В ЭВМ третьего поколения были достигнуты производительность в несколько миллионов операций в секунду, емкость основной памяти -- в несколько сотен Кбайт.

Начиная с ЭВМ третьего поколения в широких масштабах начала проводиться работа по стандартизации технических и программных средств. В это же время создаются семейства (ряды) ЭВМ, представляющие собой единую систему. Для этой цели в 1969 г. Советским Союзом было заключено соглашение о сотрудничестве с рядом европейских стран в области вычислительной техники, которое обеспечило разработку и производство Единой системы ЭВМ (ЕС ЭВМ) и системы малых ЭВМ (СМ ЭВМ).

ЭВМ четвертого поколения стали развиваться в 70-е годы. Конструктивно-технологической основой таких ЭВМ стали большие и сверхбольшие интегральные схемы (БИС и СБИС). Высокая степень интеграции способствовала дальнейшему увеличению плотности компоновки электронной аппаратуры, повышению ее надежности, увеличению быстродействия и снижению стоимости. Производительность ЭВМ четвертого поколения достигла десятков и сотен миллионов операций в секунду, а объем основной памяти -- десятков мегабайт. ЭВМ третьего и четвертого поколений представлены в основном вычислительными машинами серии ЕС ЭВМ.

2. Общие принципы организации и работы ЭВМ

Для ЕС ЭВМ характерен высокий уровень стандартизации и унификации, который обеспечивался типовой элементной базой, основанной на использовании интегральной микроэлектроники, единой базовой структурой всех моделей ЭВМ, стандартным набором команд и форматов представления данных, единой номенклатурой периферийных устройств, подключаемых через стандартную систему сопряжения (интерфейс ввода-вывода), единством принципов конструирования, производства и эксплуатации.

Разработка ЕС ЭВМ проводилась с учетом международных стандартов и рекомендаций, а также установившихся в мировой практике соглашений относительно форматов данных, используемых носителей информации, системы сопряжения между отдельными устройствами ЭВМ. Так, в частности, основной структурной единицей данных, подлежащих обработке в ЕС ЭВМ, был принят 8-разрядный байт, к которому может быть присоединен дополнительный двоичный разряд для целей контроля. Все форматы данных в ЕС ЭВМ кратны байту. Байтовая структура данных хорошо согласуется со стандартным 8-разрядным двоичным кодом обмена информацией, включающим строчные и прописные буквы латинского и русского алфавитов, десятичные цифры, а также различные специальные символы.

Наиболее устойчивой частью конфигурации технических средств ЕС ЭВМ является центральный процессор, технические характеристики которого в основном и определяли данную модель ЭВМ. Центральный процессор обрабатывает данные в ЭВМ, обеспечивает автоматическое управление работой других устройств, взаимодействует с каналами ввода-вывода, посылая в них команды на выполнение соответствующих операций и получая информацию об их выполнении.

Основная память в ЕС ЭВМ реализовывалась на базе одного или нескольких блоков, выполненных на полупроводниковых БИС (в первых моделях использовались ферритовые сердечники). Пространство (поле) основной памяти представляет собой последовательность пронумерованных байтов начиная с нулевого. Номер байта является его адресом. Для адресации к основной памяти в ЕС ЭВМ использовался 24-разрядный двоичный код, позволяющий адресовать 224 = 16777216 байт, то есть 16 Мбайт.

В ЕС ЭВМ использовались каналы ввода-вывода трех типов: селекторные, блок- и байт-мультиплексные. Общее число каналов не превышает 16, при этом допускается не более двух байт-мультиплексных каналов. Каждый канал производит адресацию до 256 периферийных устройств. Обширный набор периферийных устройств ЕС ЭВМ и стандартный способ их подключения позволял создавать вычислительные системы различной конфигурации для решения широкого круга научных, инженерно-технических, экономических, управленческих и других задач.

В составе ЕС ЭВМ входили также устройства подготовки данных, которые могли использоваться автономно, т.е. автоматически, не взаимодействуя с ЭВМ. Они включили в себя различные по техническим характеристикам устройства подготовки, контроля, расшифровки, репродукции данных на перфокартах, перфолентах, магнитной ленте (МЛ) и гибком магнитном диске (ГМД).

Разнообразные технические средства сочетались в ЕC ЭВМ с развитой системой программного обеспечения, ориентированной на постоянно расширяющуюся сферу применения ЭВМ. В состав программного обеспечения ЕС ЭВМ вошли операционная система, комплекс программ технического обслуживания и различные пакеты прикладных программ.

Основная цель, которая ставилась при создании первой очереди ЕС («Ряд-1»), заключалась в разработке семейства ЭВМ, отвечающих требованиям своего времени в отношении элементной базы, логической структуры, средств программного обеспечения, конструкции и технологии. В составе моделей этой очереди можно назвать, например, ЕС 1010, ЕС 1020, ЕС 1030, ЕС 1040, ЕС 1050, а также их модернизированные варианты: ЕС1011, ЕС1012, ЕС1021, ЕС 1022, ЕС 1032, ЕС 1033, ЕС 1052. В конце 70-х годов был прекращен выпуск моделей первой очереди.

Вторая очередь ЕС ЭВМ «Ряд-2» сохранила все достоинства первой очереди, однако по сравнению с ней характеризовалась более высокой производительностью, повышенной емкостью основной и внешней памяти, расширенными функциональными возможностями технических и программных средств, большим количеством периферийных устройств, возможностью создания на базе моделей многопроцессорных и многомашинных вычислительных комплексов. В составе моделей второй очереди ЕС ЭВМ вошли: ЕС 1015, ЕС 1025, ЕС 1035, ЕС 1045, ЕС 1055, ЕС 1060, ЕС 1061. В ЕС ЭВМ второй очереди использовалась более прогрессивная технология производства, основанная на применении многослойного печатного монтажа (до 10 слоев), плоских многожильных кабелей, трехрядных разъемов с повышенной плотностью компоновки и др. Можно сказать, что вторая очередь ЕС ЭВМ стала материальной основой построения аппаратурных и программных средств электронной вычислительной техники четвертого поколения.

Частично были разработаны ЕС ЭВМ третьей очереди («Ряд-3»). Первые модели ее (ЕС1007, ЕС1036, ЕС1046, ЕС 1066, ЕС1068) реализовывали принцип параллельной работы пользователей, названный системой виртуальных (кажущихся) машин. Этот принцип состоит в предоставлении каждому пользователю системы некоторого функционального эквивалента отдельной вычислительной машины. Функционирование множества таких виртуальных машин в реальной вычислительной системе обеспечивается соответствующей операционной системы виртуальных машин. В начале 80-х годов были созданы принципиально новые средства обработки информации -- микропроцессоры (МП). По своим логическим возможностям и структуре они напоминают упрощенный вариант процессора обычной ЭВМ, однако конструктивно реализуются всего на одной или несколько микросхемах с высокой степенью интеграции. На базе микропроцессоров стали создаваться микро-ЭВМ, состоящие из одного или нескольких микропроцессоров, дополненных постоянной и оперативной памятью, а также необходимыми периферийными устройствами. Микропроцессоры и микро-ЭВМ широко применяются при автоматизации технологических процессов.

В ЭВМ четвертого поколения получил развитие начавшийся еще в третьем поколении процесс создания вычислительных систем и сетей ЭВМ, многомашинных и многопроцессорных вычислительных комплексов. Так в нашей стране, научно-исследовательским институтом многопроцессорных вычислительных систем Таганрогского государственного радиотехнического института в 1989 г. была разработана универсальная многопроцессорная вычислительная система ЕС-2703, рассчитанная на работу от 16 до 64 процессоров и обеспечивающая высокую для того времени производительность - 128 миллионов операций в секунду.

Современные вычислительные машины и персональные компьютеры можно отнести к пятому поколению ЭВМ. Развитие элементной базы ЭВМ пятого поколения происходит на наших глазах - каждые 3-5 лет в несколько раз возрастает степень интеграции электронных схем, улучшается технология их производства, что ведет к снижению стоимости компонентов компьютера. Сетевые технологии позволяют связывать компьютеры в локальные и глобальные сети, которые, взаимодействуя и объединяясь, образуют глобальную Сеть - Интернет. ЭВМ пятого поколения используют многозадачные операционные системы с дружественным графическим интерфейсом, а большое количество прикладных программ делает их незаменимыми при решении практически любых задач. Типичный объем оперативной памяти современных персональных компьютеров - сотни мегабайт, дисковой памяти - десятки или сотни гигабайт, тактовая частота - единицы гигагерц.

Последние годы определили требования к ЭВМ будущего, которые помимо малых габаритов и небольшого энергопотребления, более высокой производительности и надежности должны обладать возможностью общения с человеком на его естественном языке, способностью производить логические выводы, обучаться, формировать в своей памяти так называемую базу знаний и т.д. Это может быть достигнуто применением и дальнейшим совершенствованием нейронных вычислительных структур, то есть структур, строение которых сходно со строением клеток мозга человека и животных - нейронов. Работа таких структур основана на способности обучаться и анализировать нечеткие или неполные данные и принимать решения на основе предыдущего опыта. Биологические основы работы сетей нейронов были впервые изучены академиком И.П.Павловым. Механизмы памяти и реакции на раздражители были названы им «условным рефлексом» Параллельно с прогрессом в нейроанатомии и нейрофизиологии психологами были созданы модели человеческого обучения. Одной из таких моделей, оказавшейся наиболее плодотворной, была модель Д. Хэбба, который в 1949 г. предложил закон обучения, явившийся стартовой точкой для алгоритмов обучения искусственных нейронных сетей. Дополненный сегодня множеством других методов он продемонстрировал ученым того времени, как сеть нейронов может обучаться.

В пятидесятые и шестидесятые годы группа исследователей, объединив эти биологические и физиологические подходы, создала первые искусственные нейронные сети. Выполненные первоначально как электронные сети, они были позднее перенесены в более гибкую среду компьютерного моделирования, сохранившуюся и в настоящее время. М. Минский, Ф. Розенблатт, Б. Уидроу и другие разработали сети, состоящие из одного слоя искусственных нейронов. Эти сети, часто называемые персептронами, были использованы для такого широкого класса задач, как предсказание погоды, анализ электрокардиограмм и искусственное зрение.

На сегодняшний день существует много впечатляющих демонстраций возможностей искусственных нейронных сетей: сеть научили превращать текст в фонетическое представление, которое затем с помощью уже иных методов превращалось в речь; другая сеть может распознавать рукописные буквы; сконструирована система сжатия изображений, основанная на нейронной сети. Для улучшения существующих сетей требуется еще много теоретической и экспериментальной работы. Должны быть развиты новые технологии, улучшены существующие методы, прежде чем данная область сможет полностью реализовать свои потенциальные возможности.

На сегодняшний день реальный «интеллект», демонстрируемый самыми сложными нейронными сетями, находится ниже уровня дождевого червя, однако, как бы ни были ограничены возможности нейронных сетей сегодня, множество революционных открытий, могут быть не за горами.

2.1 Что такое ЭВМ?

Электронно-вычислительная машина (ЭВМ) или компьютер (англ. computer - вычислитель) -- это сложная система, включающая как технические средства (интегральные микросхемы, печатные платы, кабели, источники питания, печатающие устройства, дисплеи и т. п.), так и программное обеспечение (отладчики, редакторы текста, трансляторы, загрузчики и т. д.). это аппаратурно-программный комплекс, предназначенный для обработки информации. Под обработкой понимается: преобразование (т.е. выполнение некоторых вычислительных операций), а также ввод, вывод и хранение информации.

Подобные устройства нашли применение практически во всех областях

деятельности человечества. Изначально использовались большие сложные вычислительные машины, затем более широкое распространение получили персональные компьютеры.

2.2 Архитектура ЭВМ. Принципы Джона фон Неймана

Термин «архитектура» используется для описания принципа действия, конфигурации и взаимного соединения основных логических узлов ЭВМ. Архитектура - это многоуровневая иерархия аппаратно-программных средств, из которых строится ЭВМ.

Основы учения об архитектуре ЭВМ заложил выдающийся американский математик Джон фон Нейман. Первая ЭВМ "Эниак" была создана в США в 1946 г. В группу создателей входил фон Нейман, который и предложил основные принципы построения ЭВМ: переход к двоичной системе счисления для представления информации и принцип хранимой программы.

Программу вычислений предлагалось помещать в запоминающем устройстве ЭВМ, что обеспечивало бы автоматический режим выполнения команд и, как следствие, увеличение быстродействия ЭВМ. (Напомним, что ранее все вычислительные машины хранили обрабатываемые числа в десятичном виде, а программы задавались путём установки перемычек на специальной коммутационной панели.) Нейман первым догадался, что программа может также храниться в виде набора нулей и единиц, причём в той же памяти, что и обрабатываемые ею числа.

Основные принципы построения ЭВМ:

1. Любую ЭВМ образуют три основных компонента: процессор, память и устр. ввода-вывода (УВВ).

2. Информация, с которой работает ЭВМ, делится на два типа:

o набор команд по обработке (программы);

o 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).

Фон Нейман не только выдвинул основополагающие принципы логического устройства ЭВМ, но и предложил структуру, которая воспроизводилась в течение первых двух поколений ЭВМ. Разработанные фон Нейманом основы архитектуры вычислительных устройств оказались настолько фундаментальными, что получили в литературе название «фон Неймановской архитектуры». Подавляющее большинство ВМ на сегодняшний день - фон-неймановские машины.

Появление третьего поколения ЭВМ было обусловлено переходом от транзисторов к интегральным микросхемам, что привело к росту быстродействия процессора. Теперь процессор был вынужден простаивать, ожидая информации от более медленных устройств ввода-вывода, и это снижало эффективность работы всей ЭВМ в целом. Для решения этой проблемы были созданы специальные схемы управления работой внешних устройств, или просто контроллеры.

Архитектура современных персональных компьютеров основана на магистрально-модульном принципе. Информационная связь между устройствами компьютера осуществляется через системную шину (другое название - системная магистраль).

Шина - это кабель, состоящий из множества проводников. 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).

Как работает системная шина? Мы уже говорили, что единичные и нулевые биты существуют только в головах программистов. Для процессора реальны только напряжения на его контактах. Каждый контакт соответствует одному биту, и процессору нужно различать только две градации напряжения: есть-нет, высокое-низкое. Поэтому адрес для процессора - это последовательность напряжений на специальных контактах, называемых шиной адреса. Можно представить себе, то после того, как на контактах шины адреса выставляются напряжения, на контактах шины данных появляются напряжения, кодирующие хранящееся по указанному адресу число. Эта картина очень грубая, потому что для извлечения данных из памяти необходимо время. Чтобы не запутаться, работой процессора управляет специальный тактовый генератор. Он вырабатывает импульсы, которые делят работу процессора на отдельные шажки. Единицей времени процессора служит один такт, т.е. промежуток между двумя импульсами тактового генератора.

Напряжения, появляющиеся на шине адреса процессора, называются физическим адресом. В реальном режиме процессор работает только с физическими адресами. Наоборот, защищённый режим процессора интересен тем, что программа работает с логическими адресами, а процессор незримо преобразует их в физические. Система Windows использует защищённый режим работы процессора. Современные ОС и программы требуют столько памяти, что защищённый режим работы процессора стал гораздо «реальнее» его реального режима. вычислительный электронный машина процессор

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, словами 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.

Таблица №2. Схема устройства компьютера, построенного по магистральному принципу.

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 другими.

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.

2.3 Устройство управления и арифметико-логическое устройство. Назначение. Характеристики

Арифметико-логическое устройство функционально можно разделить на две части :

а) микропрограммное устройство (устройство управления), задающее последовательность микрокоманд (команд);

б) операционное устройство (АЛУ), в котором реализуется заданная последовательность микрокоманд (команд).



Таблица №3.Структурная схема АЛУ.

Структурная схема АЛУ и его связь с другими блоками машины показаны на рисунке 2. В состав АЛУ входят регистры Рг1 - Рг7, в которых обрабатывается информация , поступающая из оперативной или пассивной памяти N1, N2, ...NS; логические схемы, реализующие обработку слов по микрокомандам, поступающим из устройства управления.

Закон переработки информации задает микропрограмма М, которая записывается в виде последовательности микрокоманд A1,A2, ..., Аn-1,An. При этом различают два вида микрокоманд: внешние, то есть такие микрокоманды, которые поступают в АЛУ от внешних источников и вызывают в нем те или иные преобразования информации (на рис. 2 микрокоманды A1,A2,..., Аn), и внутренние, которые генерируются в АЛУ и воздействуют на микропрограммное устройство, изменяя естественный порядок следования микрокоманд. Например, АЛУ может генерировать признаки в зависимости от результата вычислений j,w,Q и др. (j - признак переполнения, w - признак отрицательного числа, Q - признак равенства 0 всех разрядов числа), На рис. 2 эти микрокоманды обозначены р1, p2,..., рm.

Результаты вычислений из АЛУ передаются по кодовым шинам записи у1, у2, ...,уs, в ОЗУ.

Функции регистров, входящих в АЛУ:

Рг1 - сумматор (или сумматоры) - основной регистр АЛУ, в котором образуется результат вычислений;

Рг2, РгЗ - регистры слагаемых, сомножителей, делимого или делителя (в зависимости от выполняемой операции);

Рг4 - адресный регистр (или адресные регистры), предназначен для запоминания (иногда и формирования) адреса операндов и результата;

Рг6 - k индексных регистров, содержимое которых используется для формирования адресов;

Рг7 - l вспомогательных регистров, которые по желанию программиста могут быть аккумуляторами, индексными регистрами или использоваться для запоминания промежуточных результатов.

Часть операционных регистров является программно-доступной, то есть они могут быть адресованы в команде для выполнения операций с их содержимым. К ним относятся:

сумматор,

индексные регистры,

некоторые вспомогательные регистры.

остальные регистры программно-недоступные, так как они не могут быть адресованы в программе. Операционные устройства можно классифицировать по виду обрабатываемой информации, по способу обработки информации и логической структуре.



Таблица №4.Классификация АЛУ.

Сложность логической структуры АЛУ в определенной степени можно охарактеризовать количеством отличающихся друг от друга микроопераций, необходимых для выполнения всего комплекса задач, поставленных перед АЛУ. На входе каждого регистра собраны соответствующие логические схемы, обеспечивающие такие связи между регистрами, что позволяют реализовать заданный набор микроопераций.

Выполнение операций над словами сводится к выполнению последовательности микрокоманд, которые управляют передачей слов в АЛУ и действиями по преобразованию слов. Порядок выполнения микрокоманд определяется алгоритмом выполнения операций. Следовательно, связи между регистрами АЛУ и функции, которые должны выполнять регистры, зависят в основном от принятой методики выполнения операций: арифметических, логических и специальной арифметики.

Перечень операций, выполняемых в АЛУ, зависит от назначения цифровой вычислительной машины и от функций, выполняемых АЛУ при обеспечении работы остальных устройств машины. При представлении операций в виде последовательностей микроопераций АЛУ должно состоять из элементов; реализующих эти микрооперации.

Таким образом, структура АЛУ определяется набором микроопераций, необходимых для выполнения заданных арифметических, логических и специальных операций, а задачу построения АЛУ можно свести к задаче определения набора микроопераций, который позволяет составить микропрограмму любой из заданных операций. Такой набор легко получить. если записать микропрограммы всех операций, выполняемых в АЛУ, и выбрать из них все микрооперации, входящие в микропрограммы хотя бы один раз. Однако, если при этом алгоритм операций выбирать произвольно, то количество микроопераций, входящих в полный набор, может оказаться слишком большим и, следовательно, АЛУ будет сложным.

Для получения более простой схемы АЛУ алгоритмы арифметических и логических операций следует выбирать из условия получения минимального набора микроопераций. При этом необходимо учитывать требование обеспечения заданного быстродействия АЛУ: слишком ограниченный набор микроопераций может привести к “длинным микропрограммам некоторых операций”, что увеличивает время выполнения данных операций.

Центральный процессор (ЦП, или центральное процессорное устройство -- ЦПУ; англ. central processing unit, сокращенно -- CPU, дословно -- центральное обрабатывающее устройство) -- электронный блок либо микросхема -- исполнитель машинных инструкций (кода программ), главная часть аппаратного обеспечения компьютера или программируемого логического контроллера. Иногда называют микропроцессором или просто процессором.

Изначально термин центральное процессорное устройство описывал специализированный класс логических машин, предназначенных для выполнения сложных компьютерных программ. Вследствие довольно точного соответствия этого назначения функциям существовавших в то время компьютерных процессоров, он естественным образом был перенесён на сами компьютеры. Начало применения термина и его аббревиатуры по отношению к компьютерным системам было положено в 1960-е годы. Устройство, архитектура и реализация процессоров с тех пор неоднократно менялись, однако их основные исполняемые функции остались теми же, что и прежде.

Главными характеристиками ЦПУ являются: тактовая частота, производительность, энергопотребление, используемый техпроцесс (для микропроцессоров) и архитектура.

Ранние ЦП создавались в виде уникальных составных частей для уникальных, и даже единственных в своём роде, компьютерных систем. Позднее от дорогостоящего способа разработки процессоров, предназначенных для выполнения одной единственной или нескольких узкоспециализированных программ, производители компьютеров перешли к серийному изготовлению типовых классов многоцелевых процессорных устройств. Тенденция к стандартизации компьютерных комплектующих зародилась в эпоху бурного развития полупроводниковых элементов, мейнфреймов и миникомпьютеров, а с появлением интегральных схем она стала ещё более популярной. Создание микросхем позволило ещё больше увеличить сложность ЦП с одновременным уменьшением их физических размеров. Стандартизация и миниатюризация процессоров привели к глубокому проникновению основанных на них цифровых устройств в повседневную жизнь человека. Современные процессоры можно найти не только в таких высокотехнологичных устройствах, как компьютеры, но и в автомобилях, калькуляторах, мобильных телефонах и даже в детских игрушках. Чаще всего они представлены микроконтроллерами, где помимо вычислительного устройства на кристалле расположены дополнительные компоненты (память программ и данных, интерфейсы, порты ввода/вывода, таймеры и др.). Современные вычислительные возможности микроконтроллера сравнимы с процессорами персональных ЭВМ десятилетней давности, а чаще даже значительно превосходят их показатели.

3. Процессор

Процессор (от -- обрабатывать) -- устройство или программа, целью которых является обработка (процесс) чего-то (объекта, процесса).

Процессор - это главная микросхема компьютера, его "мозг". Он разрешает выполнять программный код, находящийся в памяти и руководит работой всех устройств компьютера. Чем выше скорость работы процессора, тем выше быстродействие компьютера.

Процессор имеет специальные ячейки, которые называются регистрами. Именно в регистрах помещаются команды, которые выполняются процессором, а также данные, которыми оперируют команды. Работа процессора состоит в выборе из памяти в определенной последовательности команд и данных и их выполнении. На этом и базируется выполнение программ.

Какие параметры отличают один процессор от другого. Это прежде всего тактовая частота, разрядность, рабочее напряжение, коэффициент внутреннего умножения тактовой частоты и размер кэш памяти. Центральный процессор (ЦП) или центральное процессорное устройство (ЦПУ) (англ. central processing unit -- CPU) -- процессор машинных инструкций, часть аппаратного обеспечения компьютера или программируемого логического контроллера, отвечающая за выполнение основной доли работ по обработке информации -- вычислительный процесс.

Современные ЦПУ, выполняемые в виде отдельных микросхем (чипов), реализующих все особенности, присущие данного рода устройствам, называют микропроцессорами. С середины 80-х последние практически вытеснили прочие виды ЦПУ, вследствие чего термин стал всё чаще и чаще восприниматься как обыкновенный синоним слова «микропроцессор».

3.1 Общие принципы действия процессора. Главные характеристики

Процессор является главным элементом ЭВМ. Он прямо или косвенно управляет всеми устройствами и процессами, происходящими в ЭВМ.

В конструкции современных процессоров четко просматривается тенденция постоянного увеличения тактовой частоты. Это естественно: чем больше операций выполняет процессор, тем выше его производительность. Предельная тактовая частота во многом определяется существующей технологией производства микросхем (наименьшими достижимыми размерами элементов, которые определяют минимальное время передачи сигналов).

Кроме повышения тактовой частоты, увеличение производительности процессоров достигается разработчиками менее очевидными приемами, связанными с изобретением новых архитектур и алгоритмов обработки информации. Некоторые из них рассмотрим на примере процессора Pentium (Р5) и последующих моделей.

Перечислим основные особенности процессора Pentium [12]:

конвейерная обработка информации;

суперскалярная архитектура;

наличие раздельных кэш-памятей для команд и данных;

наличие блока предсказания адреса перехода;

динамическое исполнение программы;

наличие блока вычислений с плавающей точкой;

поддержка многопроцессорного режима работы;

наличие средства обнаружения ошибок.

Термин «суперскалярная архитектура» означает, что процессор содержит более одного вычислительного блока. Эти вычислительные блоки чаще называют конвейерами. Заметим, что первая суперскалярная архитектура была реализована в отечественной ЭВМ «Эльбрус-1» (1978 г.).

Наличие в процессоре двух конвейеров позволяет ему одновременно выполнять (завершать) две команды (инструкции).

Каждый конвейер разделяет процесс выполнения команды на несколько этапов (например, пять):

выборка (считывание) команды из ОЗУ или кэш-памяти;

декодирование (дешифрация) команды, т. е. определение кода выполняемой операции;

выполнение команды;

обращение к памяти;

запоминание полученных результатов в памяти.

Для реализации каждого из перечисленных этапов (каждой операции) служит отдельное устройство -- ступень. Таким образом, в каждом конвейере процессора Pentium имеется пять ступеней.

Основными характеристиками процессора являются:

· быстродействие - количество операций, производимых в 1 секунду, измеряется в бит/сек. Каждая последующая модель имеет более высокую производительность по сравнению с предыдущей. Современные процессоры обладают расширением ММХ (Mult iMediaeXtention - расширение мультимедиа);

· тактовая частота - количество тактов, производимых процессором за 1 секунду. Операции, производимые процессором, не являются непрерывными, они разделены на такты. Эта характеристика определяет скорость выполнения операций и непосредственно влияет на производительность процессора. Процессор Pentium и его модификации имеют тактовые частоты от 60 МГц до 1,5 ГГц (выполнять 1,5 миллиарда операций в секунду); разрядность - количество двоичных разрядов, которые процессор обрабатывает за один такт. Указывая разрядность процессора 64, имеют в виду, что процессор имеет 64-разрядную шину данных, т.е. за один такт он обрабатывает 64 бита.

Список использованных источников

1. Гук М. Аппаратные средства IBM PC. Энциклопедия. СПб.: Издательство "Питер", 2000. - 816 c.

2. Информатика в понятиях и терминах: Кн. для учащихся ст. классов сред. шк./ Г.А. Бордовский, В.А. Извозчиков, Ю.В. Исаев, В.В. Морозов; Под ред. В.А. Извозчикова. - М.: Просвещение, 1991. - 208 с.

3. Крайзмер Л.П. Бионика. - М.-Л.: Госэнергоиздат, 1962. - 72 с.

4. Кушниренко А.Г. и др. Основы информатики и вычислительной техники: Проб. учеб. для сред. учеб. заведений/ А.Г.Кушниренко, Г.В.Лебедев, Р.А.Сворень. - М.: Просвещение, 1990. - 224 с.

5. Радченко Н.П., Козлов О.А. Школьная информатика: экзаменационные вопросы и ответы. - М.: Финансы и статистика, 1998. - 160 с.

6. Семененко В.А. и др. Электронные вычислительные машины. - М.: Высш. шк., 1991. - 288 с.

7. Семакин И., Залогова Л., Русаков С., Шестакова Л. Информатика. Учебник по базовому курсу (7-9 классы). М.: Лаборатория Базовых Знаний, 1998. - 464 с.

8. Терминологический словарь по основам информатики и вычислительной техники / А.П.Ершов, Н.М.Шанский, А.П.Окунева, Н.В.Баско; Под ред. А.П.Ершова, Н.М.Шанского. - М.: Просвещение, 1991. - 159 с.

9. Ф. Уоссермен. Нейрокомпьютерная техника: Теория и практика.

10. Электронный ресурс НИИ МВС ТРТУ: http://www.mvs.tsure.ru

Размещено на Allbest.ru