Шпаргалка по "Информатике"

Проект первых ЭВМ заинтересовал известного американского математика Джона фон Неймана, и он занялся разработкой такой их логической схемы, которая была бы способна гибко использовать запоминаемую программу, а также позволила бы эту программу изменять, не перестраивая всей схемы машины. Он первый выделил в устройстве ЭВМ четыре основных блока: арифметико-логическое устройство, устройство управления, устройство памяти и устройство ввода-вывода. Структура компьютера, включающая все перечисленные блоки, позже получила название классической архитектуры фон Неймана. Помимо архитектуры фон Нейман разработал и общие принципы работы компьютера.

В 1949 г. в Кембриджском университете (Англия) под руководством профессора Морриса Уилкса была построена первая в мире ЭВМ с хранимой в памяти программой. Она носила название «ЭД-САК» (EDSAC) и полностью воплотила в себе идеи фон Неймана.

Первая отечественная вычислительная машина МЭСМ (Малая электронная счетная машина) была разработана в 1950 г. под руководством академика С.А. Лебедева (рис. 13). МЭСМ имела более универсальное назначение, чем первые зарубежные ЭВМ, обладала быстродействием 50 операций в секунду, могла хранить в оперативной памяти 31 число и 63 команды. Внешней памятью являлся магнитный барабан с емкостью в 5000 машинных слов.

Общие принципы организации работы ЭВМ

 

В настоящее время понятия «ЭВМ» и «компьютер» являются синонимами, причем последний более распространен (от англ. computer— вычислитель). Действительно, первые ЭВМ предназначались для выполнения сложных расчетов, но в дальнейшем оказалось, что они могут обрабатывать информацию любого рода, если она может быть представлена в двоичном коде.

Под ЭВМ (компьютером) будем понимать программируемое электронное устройство, предназначенное для сбора, хранения, обработки, передачи и выдачи информации

ЭВМ включает в себя две части: аппаратную (hardware) и комплекс программ (software).

 

Архитектура ЭВМ. Принципы фон Неймана

Несмотря на большое разнообразие существующих в настоящее время ЭВМ, в основу их построения и работы заложены общие фундаментальные принципы, которые впервые были сформулированы выдающимся американским математиком Джоном фон Нейманом.

Принцип общего устройства ЭВМ

Для того чтобы быть универсальным и эффективным средством для обработки информации, любая ЭВМ должна состоять из следующих основных устройств:

арифметико-логического устройства (АЛУ), предназначенного для выполнения арифметических и логических операций;

устройства управления (УУ), которое организует процесс автоматического выполнения программ;

оперативной (основной) памяти (ОП), предназначенной для хранения программ и данных;

устройства ввода-вывода информации (УВВ).

Впоследствии такая организация ЭВМ получила название классической архитектуры фон Неймана. Архитектура фон Неймана является ядром при построении всех современных компьютеров.

Принцип произвольного доступа к основной памяти

Память ЭВМ должна состоять из некоторого количества пронумерованных ячеек, в которых может храниться информация любого рода, закодированная в двоичном коде. Доступ к ней осуществляется по номеру ячейки (адресу).

Принцип хранимой программы

Поскольку каждая команда программы кодируется в двоичном коде в виде последовательности нулей и единиц, она может быть помещена в память компьютера, как и любые другие данные. Таким образом, сама программа (набор команд) хранится в памяти вместе с обрабатываемыми данными.

Принцип программного управления

Отличие ЭВМ от арифмометра (калькулятора) состоит в том, что она умеет выполнять без участия человека не одну команду, а целую последовательность команд (программу). Устройство управления исполняет последовательность команд, находящихся в памяти машины, автоматически, без участия человека.

 

 

 

 

4,03, Понятие о принципах работы ЭВМ. 
Понятие о программном управлении работой компьютера.

В основу архитектуры современных персональных компьютеров положен магистрально-модульный принцип. Модульный принцип позволяет потребителю самому комплектовать нужную ему конфигурацию компьютера и производить при необходимости ее модернизацию. Модульная организация компьютера опирается на магистральный (шинный) принцип обмена информацией между устройствами.

Магистраль включает в себя три многоразрядные

шины: шину данных, 

шину адреса

и шину управления.

Шины представляют собой многопроводные линии. 
Шина данных. По этой шине данные передаются между различными устройствами. Например, считанные из оперативной памяти данные могут быть переданы процессору для обработки, а затем полученные данные могут быть отправлены обратно в оперативную память для хранения. Таким образом, данные по шине данных могут передаваться от устройства к устройству в любом направлении. 
Разрядность шины данных определяется разрядностью процессора, т.е. количеством двоичных разрядов, которые процессор обрабатывает за один такт. Разрядность процессоров постоянно увеличивалась по мере развития компьютерной техники.

Магистрально-модульное устройство компьютера

Шина адреса. Выбор устройства или ячейки памяти, куда пересылаются или откуда считываются данные по шине данных, производит процессор. Каждое устройство или ячейка оперативной памяти имеет свой адрес. Адрес передается по адресной шине, причем сигналы по ней передаются в одном направлении от процессора к оперативной памяти и устройствам (однонаправленная шина). 
Разрядность шины адреса определяет адресное пространство процессора, т.е. количество ячеек оперативной памяти, которые могут иметь уникальные адреса. Количество адресуемых ячеек памяти можно рассчитать по формуле:

N =2I , где I — разрядность шины адреса.

Разрядность шины адреса постоянно увеличивалась и в современных персональных компьютерах составляет 32 бит. Таким образом, максимально возможное количество адресуемых ячеек памяти равно:

N == 232 = 4 294 967 296.

Шина управления. По шине управления передаются сигналы, определяющие характер обмена информацией по магистрали. Сигналы управления определяют какую операцию считывание или запись информации из памяти нужно производить, синхронизируют обмен информацией между устройствами и т.д. 

В основу построения подавляющего большинства компьютеров положены следующие общие принципы, сформулированные в 1945 г. американским ученым Джоном фон Нейманом.

Принцип программного управления. Программа состоит из набора команд, выполняющихся процессором автоматически в определенной последовательности. 
Выборка программы из памяти осуществляется с помощью счетчика команд. Этот регистр процессора последовательно увеличивает хранимый в нем адрес очередной команды на длину команды. А так как команды программы расположены в памяти друг за другом, то тем самым организуется выборка цепочки команд из последовательно расположенных ячеек памяти. Если же нужно после выполнения команды перейти не к следующей, а к какой-то другой, используются команды условного или безусловного перехода, которые заносят в счетчик команд номер ячейки памяти, содержащей следующую команду. Выборка команд из памяти прекращается после достижения и выполнения команды «стоп». 
Таким образом, процессор исполняет программу автоматически, без вмешательства человека.

Принцип однородности памяти. Программы и данные хранятся в одной и той же памяти, поэтому компьютер не различает, что хранится в данной ячейке памяти — число, текст или команда. Над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными. 
Это открывает целый ряд возможностей. Например, программа в процессе своего выполнения также может подвергаться переработке, что позволяет задавать в самой программе правила получения некоторых ее частей (так в программе организуется выполнение циклов и подпрограмм). 
Более того, команды одной программы могут быть получены как результаты исполнения другой программы. На этом принципе основаны методы трансляции — перевода текста программы с языка программирования высокого уровня на язык конкретной машины.

Принцип адресности. Структурно основная память состоит из перенумерованных ячеек. Процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка. 
Отсюда следует возможность давать имена областям памяти так, чтобы к запомненным в них значениям можно было впоследствии обращаться или менять их в процессе выполнения программ с использованием присвоенных имен. 
Компьютеры, построенные на перечисленных принципах, относятся к типу фон-неймановских. Но существуют компьютеры, принципиально отличающиеся от фон-неймановских. Для них, например, может не выполняться принцип программного управления, т. е. они могут работать без счетчика команд, указывающего текущую выполняемую команду программы. Для обращения к какой-либо переменной, хранящейся в памяти, этим компьютерам необязательно давать ей имя. Такие компьютеры называются не фон-неймановскими.

 

4.04  СТРУКТУРНАЯ  СХЕМА ЭВМ. ПОКОЛЕНИЯ ЭВМ

 

Создано 4 поколения ЭВМ:

1. 1946 г. создание машины  ЭНИАК на электронных лампах.  Запоминающие устройства (ЗУ) были построены   на  электронных. лампах,  электронно - лучевых трубках (ЭЛТ) и линиях задержки.

2. 60-е годы. ЭВМ построены  на транзисторах, ЗУ на транзисторах, линиях  задержки и ферритовых сердечниках.

3. 70-е годы. ЭВМ построены  на интегральных микросхемах (ИМС). ЗУ на  ИМС.

4. Начало создаваться  с 1971 г. с изобретением микропроцессора (МП).  Построены на основе больших интегральных схем (БИС) и сверх БИС  (СБИС).

Пятое поколение ЭВМ строится по принципу человеческого мозга, управляется голосом, используется новая технология на основе арсенида галлия.

ЭВМ предназначены для обработки информации и отображения результатов обработки. Для решения задачи должна быть написана программа.

Во время решения задачи программа и операнды (числа, над которыми производится операции) находятся в оперативной памяти (ОЗУ). Быстродействие ОЗУ соизмеримо с быстродействием АЛУ. В процессе решения задачи АЛУ постоянно взаимодействует с ОЗУ, передавая в ОЗУ промежуточные и конечные результаты и получая из ОЗУ операнды действия всех частей ЭВМ при решении задачи осуществляется под воздействием управляющих сигналов, вырабатываемых устройством управления в соответствии с программой, записанной в ОЗУ.

ПЗУ предназначено для хранения стандартных программ, таких как sin и cos, констант p, е.

Существует еще сверх ОЗУ (СОЗУ), которое обладает малым объемом и высоким быстродействием. СОЗУ применяется для кратковременного хранения операндов и промежуточных результатов.

Качество ЭВМ определяется: объемом ОЗУ (т.е. количеством одновременно  хранимых в ОЗУ двоичных слов); быстродействием, определяемым количеством операций в сек. После выполнения задачи, программа и результаты через устройство вывода записываются во внешнее ЗУ. В качестве внешних ЗУ используются магнитная лента, гибкий магнитный диск, магнитный барабан, перфолента, перфокарты. Программа вводится в ОЗУ с внешних ЗУ или с клавиатуры через устройство ввода.

 

 

4.05  Классификация средств вычислительной техники

Компьютеры получили широкое распространение практически во всех сферах нашей жизни. Для решения различных задач используются разные типы компьютеров. На данный момент существует следующая классификация компьютеров:

19

1. IBM-совместимые персональные компьютеры. На данный момент это наиболее распространенный тип компьютеров. Они явлются своего рода универсальными машинами и могут применяються практически для любых задач. Однако в некоторых случаях связанных с обработкой больших обьемов информации их применение будет нецелесообразным.

2. Персональные компьютеры Macintosh. Компьютеры предназначенные для тех же целей что и компьютеры IBM, но не совместимые с ними.

3. Рабочие станции. Более мощные комьютеры, чем персональные. Используются обычно для хранения данных.

4. Сервера. Как правило самые мощные персональные комьютеры с большим дисковым пространством. Используются в компьютерных сетях для централизованного хранения и обработки данных.

5. Мейнфреймы. Считаются наиболее мощными (не считая суперкомпьютеров) вычислительными системами общего назначения, обеспечивающими непрерывный круглосуточный режим эксплуатации. Они могут оснощаться одним или несколькими процессорами.

6. Суперкомьютеры --компьютеры, созданные для обработки больших обьемов информации. Очень часто они используются для работы с трехмерным моделированием и анимацией Фигурнов В.Э. IBM PC для пользователя. М.: Финансы и Статистика, 1994.

Теперь я хотела бы кратко описать некоторых представителей данной классификации.

2.1 Персональные компьютеры Macintosh

В 1991 году была создана операционная система Mac 7.0, где были применены 32-разрядная адресация, меню программ, виртуальная память - всего около пятидесяти принципиальных инноваций. В том же году начался выпуск модели Macintosh LC, относительно дешевого компьютера в ультраплоском корпусе, ставшего одним из самых удачных коммерческих проектов Apple.

2.1.1 PowerBook

В 1992 году переносные компьютеры Macintosh PowerBook стали самыми продаваемыми в классе ноутбук. Тогда же был создан карманный компьютер Newton, в котором воплотился в жизнь принципиальной новый подход к интерфейсу, и прежде всего ввод и распознавание рукописного текста. К сожалению, малый размер оперативной памяти затруднял написание прикладных программ для Newton.

В 1994 году произошла смена поколений Macintosh - были выпущены компьютеры семейства PowerMacintosh. Apple практически полностью перешла на выпуск компьютеров на процессоре PowerPc, разработанном совместными усилиями фирм Apple, IBM и Motorola. Этот процессор использует прогрессивную RISC-технологию. В 1995 году появился первый Macintosh, использующий шину PCI, а также первые клоны Macintosh.

2.1.2 PowerMac G3

В 1997 года Apple объявила о выпуске нового семейства Macintosh -G3.

Сердцем нового компьютера стал процессор PowerPC нового поколения. По сравнению с аналогичным Pentium II выигрыш в производительности у процессора G3 составляет 30%. Фактически материнская плата для G3 отличается от материнской платы для Pentium только разъемом для самого процессора. Таким образом, появляется возможность использования в Macintosh стандартных устройств, что существенно снижает его цену.

Далее события стали развиваться стремительно: В 1999 году Apple предлагает новую линию настольных компьютеров. В их числе компьютеры iMac пяти новых расцветок, новая линия компьютеров Power Macintosh G3 с тремя видами мониторов, а также серверная операционная система Mac OS X Server.