«Введение. Понятие об архитектуре компьютера»




Скачать 209.67 Kb.
Дата13.06.2016
Размер209.67 Kb.

Дисциплина «Архитектура компьютера» Преподаватель – Терехова У.И.



Содержание

Лекция 1. Введение. Понятие об архитектуре компьютера. с.1-4

Лекция 2. История развития вычислительной техники с.5-10

Лекция 3. Поколения ЭВМ с.11-13


Тема: «Введение. Понятие об архитектуре компьютера».

План:

  1. Понятия: вычислительная техника, вычислительная система, компьютер, архитектура компьютера.

  2. Состав вычислительной системы.




  1. Понятия: вычислительная техника, вычислительная система, компьютер, архитектура компьютера.

Для автоматизации работы с данными используют особые виды устройств, большинство из которых являются электронными приборами.

Совокупность устройств, предназначенных для автоматической или автоматизированной обработки данных, называют вычислительной техникой.

Конкретный набор взаимодействующих между собой устройств и программ, предназначенных для обслуживания одного рабочего участка, называют вычислительной системой.

Центральным устройством большинства вычислительных систем является компьютер.

Компьютер - это электронный прибор, предназначенный для автоматизации создания, хранения, обработки и транспортировки данных.

Архитектура компьютера - это описание его организации и принципов функционирования его структурных элементов. Включает основные устройства ЭВМ и структуру связей между ними.

Обычно, описывая архитектуру ЭВМ, особое внимание уделяют тем принципам ее организации, которые характерны для большинства машин, относящихся к описываемому семейству, а также оказывающие влияние на возможности программирования.



2.Состав вычислительной системы.

Состав вычислительной системы называется конфигурацией. Существуют аппаратная и программная конфигурации, входящие в состав вычислительной системы.



Аппаратное обеспечение

К аппаратному обеспечению вычислительных систем относятся устройства и приборы, образующие аппаратную конфигурацию. Современные компьютеры и вычислительные комплексы имеют блочно-модульную конструкцию — аппаратную конфигурацию, необходимую для исполнения конкретных видов работ, можно собирать из готовых узлов и блоков.

По способу расположения устройств относительно центрального процессорного устройства различают внутренние и внешние устройства. Внешними, как правило, являются большинство устройств ввода-вывода данных (их также называют периферийными устройствами) и некоторые устройства, предназначенные для длительного хранения данных.

Согласование между отдельными узлами и блоками выполняют с помощью переходных аппаратно-логических устройств, называемых аппаратными интерфейсами. Стандарты на аппаратные интерфейсы в вычислительной технике называют протоколами. Таким образом, протокол — это совокупность технических условий, которые должны быть обеспечены разработчиками устройств для успешного согласования их работы с другими устройствами.

Многочисленные интерфейсы, присутствующие в архитектуре любой вычислительной системы, можно условно разделить на две большие группы: последовательные и параллельные. Через последовательный интерфейс данные передаются последовательно, бит за битом, а через параллельный — одновременно группами битов. Количество битов, участвующих в одной посылке, определяется разрядностью интерфейса, например восьмиразрядные параллельные интерфейсы передают один байт (8 бит) за один цикл.

Параллельные интерфейсы обычно имеют более сложное устройство, чем последовательные, но обеспечивают более высокую производительность. Их применяют там, где важна скорость передачи данных: для подключения печатающих устройств, устройств ввода графической информации, устройств записи данных на внешний носитель и т. п. Производительность параллельных интерфейсов измеряют байтами в секунду (байт/с; Кбайт/c; Мбайт/с).

Последовательные интерфейсы применяют для подключения «медленных» устройств (простейших устройств печати низкого качества, устройств ввода и вывода знаковой и сигнальной информации, контрольных датчиков, малопроизводительных устройств связи и т. п.), а также в тех случаях, когда нет существенных ограничений по продолжительности обмена данными (большинство цифровых фотокамер).

Программное обеспечение

Программы — это упорядоченные последовательности команд. Конечная цель любой компьютерной программы — управление аппаратными средствами. Даже если на первый взгляд программа никак не взаимодействует с оборудованием, не требует никакого ввода данных с устройств ввода и не осуществляет вывод данных на устройства вывода, все равно ее работа основана на управлении аппаратными устройствами компьютера.

Программное и аппаратное обеспечение в компьютере работают в неразрывной связи и в непрерывном взаимодействии.

Состав программного обеспечения вычислительной системы называют программной конфигурацией.

Уровни программного обеспечения представляют собой пирамидальную конструкцию. Каждый следующий уровень опирается на программное обеспечение предшествующих уровней.

Базовый уровень. Самый низкий уровень программного обеспечения представляет базовое программное обеспечение. Оно отвечает за взаимодействие с базовыми аппаратными средствами. Как правило, базовые программные средства непосредственно входят в состав базового оборудования и хранятся в специальных микросхемах, называемых постоянными запоминающими устройствами (ПЗУ — Read Only Memory, ROM). Программы и данные записываются («прошиваются») в микросхемы ПЗУ на этапе производства и не могут быть изменены в процессе эксплуатации.

Системный уровень. Системный уровень — переходный. Программы, работающие на этом уровне, обеспечивают взаимодействие прочих программ компьютерной системы с программами базового уровня и непосредственно с аппаратным обеспечением, то есть выполняют «посреднические» функции.

От программного обеспечения этого уровня во многом зависят эксплуатационные показатели всей вычислительной системы в целом.

При подключении к вычислительной системе нового оборудования на системном уровне должна быть установлена программа, обеспечивающая для других программ взаимосвязь с этим оборудованием. Конкретные программы, отвечающие за взаимодействие с конкретными устройствами, называются драйверами устройств — они входят в состав программного обеспечения системного уровня.

Другой класс программ системного уровня отвечает за взаимодействие с пользователем. Именно благодаря им он получает возможность вводить данные в вычислительную систему, управлять ее работой и получать результат в удобной для себя форме. Эти программные средства называют средствами обеспечения пользовательского интерфейса. От них напрямую зависит удобство работы с компьютером и производительность труда на рабочем месте.



Служебный уровень. Программное обеспечение этого уровня взаимодействует как с программами базового уровня, так и с программами системного уровня. Основное назначение служебных программ (их также называют утилитами) состоит в автоматизации работ по проверке, наладке и настройке компьютерной системы. Во многих случаях они используются для расширения или улучшения функций системных программ.

Понятие «драйвер» и «утилита» - это одно и то же?

Нет, см. пояснение выше.

Прикладной уровень. Программное обеспечение прикладного уровня представляет собой комплекс прикладных программ, с помощью которых на данном рабочем месте выполняются конкретные задания.

Огромный функциональный диапазон возможных приложений средств вычислительной техники обусловлен наличием прикладных программ для разных видов деятельности.



Тема: «История развития вычислительной техники»

План:

  1. Домеханический этап.

  2. Механический этап.

  3. Электронно – вычислительный этап.


Вы уже знаете, что в современных информационных системах для реализации информационных процессов широко используются компьютеры. Компьютеры, используя соответствующее аппаратное и программное обеспечение, могут выполнять операции по сбору, передаче, обработке, хранению и защите сообщений.

На рисунке 2.1 представлен внешний вид типового современного компьютера, предназначенного для одновременной работы с ним одного пользователя. Такие компьютеры называют персональными компьютерами (ПК).

В состав ПК, изображенного на рисунке 2.1, входят:



  • с
    Рис.2.1 Схема персонального компьютера
    истемный блок
    с размещенными в нем:

  • процессором – устройством для управления работой компьютера и обработки данных;

  • памятью – устройством для хранения данных

и некоторыми другими устройствами;

  • клавиатура и манипулятор «мышь» – устройства для ввода данных;

  • монитор и звуковые колонки – устройства для вывода данных.

Работу компьютера можно проиллюстрировать с помощью схемы, представленной на рисунке 2.2.



Рис. 2.2. Схема работы компьютера

С помощью устройств ввода данные и программы их обработки попадают в память компьютера. Из памяти компьютера данные пересылаются в процессор(англ. Central Processing Unit – CPU – модуль центрального процессора). Обработку данных осуществляет арифметико-логическое устройство. Руководит процессами обработки данных, их хранением и передачей устройство управления.

Представление результатов обработки данных в виде, удобном для определенного пользователя, реализуют устройства вывода данных.

Данная схема описывает логическую организацию работы компьютера, которую называют архитектурой компьютера. Современная архитектура компьютеров базируется на принципах, которые впервые были сформулированы британским ученым Чарльзом Бэббиджем(1791–1871) (рис. 2.3), а затем развиты и обоснованы американским ученым Джоном фон Нейманом (1903–1957) (рис. 2.4).



Необходимость проводить не сложные арифметически операции появились с самого начала существования человека. Задолго до появления первых счетных машин люди изыскивали различные средства для проведения вычислений.

Всю историю вычислительной техники принято делить на три основных этапа:



  • домеханический,

  • механический,

  • электронно-вычислительный.


Домеханический период

П
Рис. 2.3 Чарльз Бэббидж



Рис.2.4 Джон фон Нейман
ервым инструментом для счета были пальцы рук. Все арифметические операции выполнялись при помощи десяти пальцев рук. В Западной Европе существовала целая система позволяющая представлять на пальцах числа до 9999.

Пример, китайский счет на пальцах от 1 до 10 (рис. 2.5.)

Счет на пальцах, конечно, удобен, только с ним достаточно тяжело хранить информацию.

С
Рис. 2.5 Китайский счет


возникновением у древних людей способности счета появилась необходимость в использовании приспособлений, которые смогли бы облегчить эту работу. Одно из таких орудий труда наших предков было обнаружено при раскопках поселения Дольни Вестоници на юго-востоке Чехии в Моравии. Обыкновенная кость с зарубками (рис.1.6), получившая название “вестоницкая кость”, использовалась ими для ведения счета предположительно за 30 тыс. лет до н. э.

Примерно к VIII веку до н. э. древними индейскими цивилизациями был придуман другой способ для записи чисел. Для этих целей они использовали узелковое письмо (рис. 2.6), в котором знаками служили камни и разноцветные ракушки, сплетенные вместе веревками.

Р
Рис. 2.6. Кости с зарубками и узелки на веревках


азвитие государств Европы и Азии, а также усиление торговых отношений между ними привело к созданию совершенно нового инструмента, известного практически у всех народов. Впервые его начали применять в Вавилоне, а вскоре новое изобретение попало в Грецию, где получило свое дальнейшее развитие. Это приспособление представляло собой деревянную дощечку с бороздками (желобками), посыпанную морским песком. Размещенные в этих бороздках камешки обозначали цифры. При этом количество камешков в первой бороздке соответствовало единицам, во второй — десяткам, в третьей — сотням и т. д. Если в одной из бороздок набиралось десять камешков, то их снимали и добавляли один камешек в следующую бороздку.

Ученые назвали этот способ записи чисел единичной ("палочной") системой счисления. В ней для записи чисел применялся только один вид знаков – "палочка". В наше время счётные палочки используются для обучения первоклассников.

Немного позже вместо деревянных дощечек стали использовать каменные плиты с выточенными в них желобками.

В
Рис. 2.7. Абак


Древнем Риме в V в н. э. появилась «счетная доска» и называлась она calculi или abakuli. Для изготовления римского абака (рис. 2.7), помимо каменных плит, стали использовать бронзу, слоновую кость и даже цветное стекло. В вертикальных желобках, разделенных на два поля, также помещались камешки или мраморные шарики, при этом желобки нижнего поля служили для счета от единицы до пяти. Если в этом желобке набиралось пять шариков, то в верхнее отделение добавлялся один шарик, а из нижнего поля все шарики снимали.

Попробуем найти сумму двух чисел 134+223 с помощью простейшего абака.

(см. слайд презентации)

С
Рис. 2.8. Суан-пан
уан-пан
(рис. 2.8) — китайская разновидность абака — появилась в VI веке н. э. Также как и римский абак, суан-пан разделен на два поля, имеющих свои названия. Большее поле называется “Земля”, а меньшее — “Небо”. В большем поле на каждой веревке нанизано по пять шариков, а в меньшем всего по два. При подсчете шарики уже не снимаются с поля, они лишь передвигаются в сторону соседнего поля. Каждый шарик большего поля соответствует единице, а каждый шарик меньшего поля — пяти.

Я
Рис. 2.9. Соробан


понской разновидностью абака является соробан (рис. 2.9).

В 1658 году впервые упоминается слово “счеты” (рис. 2.10). А в начале XVIII века счеты приняли свой привычный вид. В них осталось лишь одно счетное поле, на спицах которого размещалось по десять косточек.




Рис. 2.10. Счеты

Механический период

Первые идеи механизации вычислительного процесса появились в конце 15 века. Эскиз суммирующего устройства был разработан не безызвестным Леонардо да Винчи.

1
Рис. 2.11. Первая механическая счетная машина

(«паскалина»)
642 год, французский физик Блез Паскаль создал первую механическую счетную машину (рис. 2.11). Она представляла собой шкатулку, на крышке которой, как на часах, были расположены циферблаты. На них устанавливали числа. Для цифр разных разрядов были отведены различные зубчатые колеса. Каждое предыдущее колесо соединялось с последующим с помощью одного зубца. Этот зубец вступал в сцепление с очередным колесом только после того, как были пройдены все девять цифр данного разряда.

1
Рис. 2.12. «Счетное колесо»



Лейбница
671 год, немецкий математик и философ Готфрид Вильгельм Лейбниц сконструировал свою счетную машину, известную как «счетное колесо» Лейбница (рис. 2.12), позволяющую не только складывать и вычитать но также умножать многозначные числа. Вместо колец использовались цилиндры, на которые были нанесены цифры. Каждый цилиндр имел девять рядов выступов: один выступ на первом ряду, два на втором и так далее. Эти цилиндры были подвижны и устанавливались в определенном положении. Такой механизм позволил ускорить повторяющиеся операции сложения, необходимые для умножения. Само повторение тоже осуществлялось автоматически.

1


Рис. 2.13. Аналитическая машина
830 год, английский математик Чарльз Бэббидж попытался построить универсальное вычислительное устройство, т.е. компьютер. Бэббидж называл его аналитической машиной (рис. 2.13). Именно Бэббидж додумался до того, что компьютер должен содержать память и управляться с помощью программы. Бэббидж хотел построить свой компьютер как механическое устройство, а программой собирался управлять посредством перфокарт – карт из плотной бумаги с информацией наносимой с помощью отверстий (в то время они активно использовались на ткацких станках).

Д
Рис. 2.14. Ада Августа Лавлейс


очь лорда Байрона, великого английского поэта, Аду Августу Лавлейс (рис.2.14) чрезвычайно заинтересовала аналитическая машина, изобретенная Бэббиджем. Она перевела и прокомментировала замечания о его машине, написала несколько программ для нее, разработала начала теории программирования. Лишь благодаря ей, мы знаем все подробности о труде Бэббиджа, который сам не удосужился описать свое детище, ограничившись подробными чертежами.

Таким образом, Ада стала первой в истории программисткой. Не удивительно, что один из современных языков программирования носит ее имя ADA.

П
Рис. 2.15. Перфокарта

Рис. 2.16. Табулятор
ервым кому удалось реализовать идеею Чарльза Бэббиджа использования перфокарт (рис. 2.15) для программирования, был Герман Холлерит, разработавший машину ля обработки результатов переписи населения. Впервые использовалась в 1890 году и сократила период обработки результатов с восьми лет до трех. Американский инженер Г. Холлерит сконструировал электромеханическое вычислительное устройство – табулятор (рис.2.16). Табулятор в несколько раз превосходил арифмометр по скорости вычислений, имел память на перфокартах – картонных картах, на которых пробивались (перфорировались) специальные отверстия. Определенная система отверстий изображала число. Табуляторы нашли широкое применение и были предшественниками вычислительных машин нашего времени, они использовались для учета, статистических разработок, планово-экономических и частично инженерно-технических и других расчетов в различных областях народного хозяйства СССР.
Электронно-вычислительный этап

1941 год, немецкий инженер Конрад Цузе построил небольшой компьютер на основе электромеханического реле. Но из-за войны его работы не были опубликованы.

1943 го, в США на одном из предприятий фирмы IBM Говард Эйкен создал более мощный компьютер под названием «Марк-1», который реально использовался для военных расчетов. В нем использовалось сочетание электрических сигналов и механических приводов. Программа обработки данных вводилась с перфоленты. Размеры: 15 Х 2,5 м., 750000 деталей. “Марк-1” мог перемножить два 23-х разрядных числа за 4 с.

Первая ЭВМ «ЭНИАК» (цифровой интегратор и вычислитель) была создана в США после второй мировой войны в 1946 году.



Д.з. Ответить на вопросы индивидуальных карт

I «Абак и счеты»

  1. Как переводится с греческого языка слово «абак»?

  2. Где использовали абак в Древней Греции и Риме?

  3. В какой системе счисления велся счет с помощью устройства абак?

  4. Какие арифметические операции могли выполнять с помощью абака?

  5. Как назывался абак в Древнем Риме?

  6. В каком году появились русские счеты?


II «Блез Паскаль»

  1. Где и когда родился Блез Паскаль?

  2. Кем был Б.Паскаль (профессия, род занятий)?

  3. Каким образом осуществлялось сложение чисел в машине Паскаля?

  4. Как связано его имя с информатикой?

  5. Кем была написана первая программа для аналитической машины Ч. Беббиджа?


III «Готфрид Вильгельм Лейбниц».

  1. Где и когда родился Лейбниц?

  2. В развитие каких наук внес свой вклад Лейбниц.

  3. Какое устройство было изобретено Лейбницем?

  4. Какие арифметические мог выполнять арифмометр?

IV «Чарльз Беббидж».

  1. Где и когда родился Чарльз Беббидж?

  2. Кем по профессии был Ч.Беббидж?

  3. В каком году у Чарльза Беббиджа возникла мысль о создании аналитической машины?

  4. Какова была идея аналитической машины?

  5. Была ли простроена аналитическая машина? Если да, то когда и кем?


V «Герман Холлерит».

  1. Где и когда родился Герман Холлерит?

  2. Какое устройство было изобретено Г. Холлеритом? В каком году?

  3. Для чего в США в 1890 году был использован табулятор?

  4. Сколько времени заняло это событие и сколько долларов было сэкономлено?

  5. Что представляет собой перфокарта и где они применялись?

Тема: «Поколения ЭВМ».

План:

  1. Предпосылки появления компьютеров

  2. Поколения ЭВМ




  1. Предпосылки появления компьютеров.

1) В конце XIX века получила развитие математическая физика. Нужны стали машины, способные производить многократно повторяющиеся вычисления.

2) В 1880 году американский изобретатель Томас Алва Эдисон ввел в вакуумный баллон электрической лампочки электрод и обнаружил протекание тока. Он открыл явление термоэлектронной эмиссии.

3) В 1904 году физик Джон Амброз Флеминг на основе открытия Эдисона создал диод, а несколько позже был изобретен триод.

4) Английский математик Джордж Буль еще в 1848 году описал правила логики, впоследствии названной его именем – булева алгебра. Благодаря чему стало возможно конструирование логических схем.

5) В 1918 году русский ученый М.А. Бонч – Бруевич и независимо от него английские ученые создали электронное реле, которое могло находиться в одном из двух состояний -0 или 1 и на базе которого был создан триггер.

И только к XX веку все было готово для создания компьютера.




  1. Поколения ЭВМ.

Всю электронно –вычислительную технику принято делить на поколения. Смена поколений зависит от элементной базы ЭВМ, т.е. технической основы. От элементной базы зависит мощность ЭВМ, что в свою очередь приводит к изменениям в архитектуре ЭВМ, расширению круга ее задач, к изменению способа взаимодействия пользователя и компьютера.


Характеристика

Значения

I поколение

Годы

1949-1958 гг.

Элементная база

Электронно-вакуумные лампы

Размер (габариты)

Громоздкое сооружение, занимающее сотни квадратных метров, потреблявшее сотни киловатт электроэнергии и содержащие в себе тысячи ламп

Максимальное

быстродействие

компьютера


20 тысяч операций в секунду

Максимальный

объем ОЗУ



Несколько тысяч и команд программы

Периферийные

устройства



Перфоленты и перфокарты

Программное

обеспечение



Программы составлялись на языке машинных команд, поэтому программирование было доступно не всем. Существовали библиотеки стандартных программ.

Области применения

Инженерные и научные расчеты, не связанные с переработкой больших объемов данных.

Примеры

Mark 1, ENIAC, БЭСМ, Урал

II поколение

Годы

1959-1963 гг.

Элементная база

Транзисторы

Размер (габариты)

ЭВМ стали компактнее, надежнее, менее энергоемкими

Максимальное

быстродействие

компьютера


Десятки и сотни тысяч операций в секунду

Максимальный

объем ОЗУ



Увеличился в сотни раз

Периферийные

устройства



Внешняя память на магнитных барабанах и лентах

Программное

обеспечение



Стали развиваться языки программирования высокого уровня ФОРТРАН, АЛГОЛ, КОБОЛ. Программы стали проще, понятнее, доступнее и программирование стало широко распространяться среди людей с высшим образованием

Области применения

Создание информационно – справочных и информационных систем

Примеры

М-220, Мир,БЭСМ-4,Урал-11,IBM-7094

III поколение

Годы

1964-1976 гг.

Элементная база

Интегральные схемы

Размер (габариты)

ЭВМ делятся на большие, средние, мини и микро

Максимальное

быстродействие

компьютера


До 30 миллионов операций в секунду. При проектировании процессора стали использовать технику микропрограммирования – конструирование сложных команд процессора из простых

Максимальный

объем ОЗУ



До 16 Мбайт. Появляется ПЗУ

Периферийные

устройства



Внешняя память на магнитных дисках, дисплеи, графопостроители

Программное

обеспечение



Появились операционные системы и множество прикладных программ. Новые алгоритмические языки высокого уровня. Многопрограммный режим работы - возможность выполнять несколько программ одновременно

Области применения

Базы данных, первые системы искусственного интеллекта, системы автоматизированного проектирования и управления

Примеры

PDP-11, IBM/360, CDC 6600, БЭСМ-6, Минск-32

IV поколение

Годы

1977-наши дни

Элементная база

БИС и СБИС

Размер (габариты)

Микро ЭВМ – малые габариты, сравнимые с размерами бытовых телевизоров; супер компьютеры, состоящие из отдельных блоков и центральный процессор которых занимает отдельное помещение

Максимальное

быстродействие

компьютера


2,5 МГц у первых моделей и до 109 операций в секунду

Максимальный

объем ОЗУ



От 16 Мбайт и более 107 Кбайт

Периферийные

устройства



Цветной графический дисплей, манипуляторы типа «мышь», «джойстик», клавиатура, магнитные и оптические диски, принтеры, сканеры и т.д.

Программное

обеспечение



Пакеты прикладного программного обеспечения, сетевое ПО, мультимедиа и т.д.

Области применения

Все сферы научной, производственной, учебной деятельности, отдых и развлечение, Интернет

Примеры

IBM PC, Macintosh, Cray, ЭЛЬБРУС

V поколение

Годы

?

Элементная база

Оптоэлектроника, криоэлектрика

Размер (габариты)

?, возможно карманные и меньше

Максимальное

быстродействие

компьютера


1012 операций в секунду

Максимальный

объем ОЗУ



108 Кбайт

Периферийные

устройства



Ввод с голоса, голосовое сообщение, машинное «зрение» и «осязание» и др.

Программное

обеспечение



Интеллектуальные программные системы

Области применения

В творческой деятельности человека, искусственный интеллект

Примеры

?

ЭВМ пятого поколения - это машины недалекого будущего. Основным их качеством быть высокий интеллектуальный уровень. Карманный компьютер сможет проинформировать владельца о последних новостях, позвонить, заказать билеты, уплатить налоги и т.д.





База данных защищена авторским правом ©uverenniy.ru 2016
обратиться к администрации

    Главная страница