Файл: Основополагающие принципы устройства эвм компьютер и его программное обеспечение ключевые слова.pptx

ОСНОВОПОЛАГАЮЩИЕ ПРИНЦИПЫ УСТРОЙСТВА ЭВМ

КОМПЬЮТЕР И ЕГО ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ

Ключевые слова

• принципы компьютерных наук
• адресность памяти
• программное управление
• архитектура компьютера
• магистраль
• шина
• контроллер

Фундаментальные идеи (принципы) компьютерных наук независимо друг от друга сформулировали Джон фон Нейман и Сергей Алексеевич Лебедев.

!

Принцип – основное, исходное положение какой-нибудь теории, учения, науки и пр.

Основоположники ЭВМ

Джон фон Нейман (1903-1957) –американский учёный, сделавший важный вклад в развитие математики и физики. В 1946 г., анализируя сильные и слабые стороны ЭНИАКа, совместно с коллегами пришёл к идее нового типа организации ЭВМ.

Сергей Алексеевич Лебедев (1902-1974) – главный конструктор первой отечественной вычислительной машины МЭСМ, автор проектов компьютеров серии БЭСМ (Большая Электронная Счётная Машина), и принципиальных положений компьютера «Эльбрус».

Сформулированные в середине прошлого века, базовые принципы построения ЭВМ не утратили свою актуальность и в наши дни.

состав основных компонентов вычислительной машины

принцип двоичного кодирования

принцип однородности памяти

принцип адресности памяти

принцип иерархической организации памяти

принцип программного управления

1

2

3

4

5

6

Функциональная схема

!

Устройство, способное производить автоматические вычисления, должно иметь набор компонентов: блок обработки данных, блок управления, блок памяти, блоки ввода/вывода информации.

110010111011000

110010111011000

110010111011000

110010111011000

1100101

1100101

110010111011000

110010111011000

110010111011000

110010111011000

11001

110001

Устройство

ввода

Устройство

вывода

Внешняя

память

Память

ОЗУ, ПЗУ

Информационные потоки

Управление процессами

Процессор

АЛУ, УУ

Состав компонентов

• арифметико-логическое устройство (АЛУ) выполняет обработку данных
• устройство управления (УУ) обеспечивает выполнение программы и организует согласованное взаимодействие всех узлов компьютера

---

Процессор – информационный центр. Управляет всеми процессами и пропускает через себя все информационные потоки.

Составные блоки процессора:

Состав компонентов

Память хранение исходных данных, промежуточных величин и результатов обработки информации, программы обработки информации
Внутренняя		Внешняя предназначена для длительного хранения программ и данных в периоды между сеансами обработки
ОЗУ временное хранение программ и данных в процессе обработки	ПЗУ программа начальной загрузки компьютера

?

Кроме представленного деления памяти, различают энергозависимую память и энергонезависимую. Какая часть памяти является энергозависимой?

Состав компонентов

Мышь, джойстик, графический планшет, сенсорный экран

Сканер, фотоаппарат, видео-камера

Ввод звуковой информации

Микрофон, диктофон

Игровые устройства

Джойстик, руль, световой пистолет

Указательные (координатные)

Ввод графической информации

В

КОМПЬЮТЕР

ВВОД

ИНФОРМАЦИИ

Алгоритмы обработки информации

П

Р

О

Ц

Е

С

С

О

Р

Состав компонентов

Игровой контроллер (при столкновении вибрирует)

Колонки, наушники, встроенный динамик

Дисковод, сетевая плата, интерактивная доска

Принтер, графопостроитель, монитор, проектор

Вывод звуковой информации

Игровые устройства

Устройства ввода/вывода

Вывод графической информации

ИЗ

КОМПЬЮТЕРА

ВЫВОД

ИНФОРМАЦИИ

Алгоритмы обработки информации

П

Р

О

Ц

Е

С

С

О

Р

Принцип двоичного кодирования

{−,0,+}

!

Вся информация, предназначенная для обработки на компьютере (числа, тексты, звуки, графика, видео), а также программы её обработки, представляются в виде двоичного кода.

Выбор двоичной системы счисления обусловлен:

• простотой выполнения арифметических операций в двоичной системе счисления
• «согласованностью» с булевой логикой
• простотой технической реализации

Троичный компьютер «СЕТУНЬ»

Использование в компьютерной технике классической двоичной системы счисления не лишено недостатков.

В 1958 г. в Московском государственном университете им. М. В. Ломоносова под руководством Н. П. Брусенцова был создан

---

троичный компьютер «Сетунь». В нём была применена уравновешенная троичная система счисления, использование которой впервые в истории позволило представлять одинаково просто как положительные, так и отрицательные числа.
Знаки троичной симметричной системы счисления {−,0,+}

Принцип однородности памяти

!

Команды программ и данные хранятся в одной и той же памяти. Команды и данные отличаются только по способу использования. Это утверждение называют принципом однородности памяти.

Память

Сегмент

Ячейка

Сегмент

Сегмент

Сегмент

Принцип адресности памяти

Адрес ячейки

(в 16-ой СС)

25F0:A3ED

Адрес

сегмента

Смещение

внутри

сегмента

!

Команды и данные размещаются в единой памяти, состоящей из ячеек, имеющих свои номера (адреса). Это принцип адресности памяти.

?

Какой объем памяти отведен под запись адреса ячейки?

?

Оцените максимально возможный объем памяти компьютера, допускающего такую адресацию.

Можно выделить два основных требования, предъявляемых к памяти компьютера:

• объём памяти должен быть как можно больше
• время доступа к памяти должно быть как можно меньше

В современных компьютерах используются устройства памяти нескольких уровней, различающиеся по своим основным характеристикам: времени доступа, сложности, объёму и стоимости.

!

Трудности физической реализации запоминающего устройства высокого быстродействия и большого объёма требуют иерархической организации памяти.

Уровни иерархии взаимосвязаны: все данные на одном уровне могут быть также найдены на более низком уровне.

Дорого

…

Дешево

Быстро

…

Медленно

Мало

…

Много

Время доступа

Цена за байт

Объем памяти

!

Принцип программного управления определяет общий механизм автоматического выполнения программы.

Все вычисления, предусмотренные алгоритмом решения задачи, должны быть представлены в виде программы, состоящей из последовательности команд. Команды представляют собой закодированные управляющие слова, в которых указывается:

• какое выполнить действие
• из каких ячеек считать операнды (данные, участвующие в операции)
• в какую ячейку записать результат операции

да

нет

Чтение и расшифровка команды

---

Формирование адреса очередной команды

Выполнение команды

Программа завершена?

Передать управление операционной системе

Архитектура компьютера

!

Архитектура – это общие принципы построения компьютера, отражающие программное управление работой и взаимодействие его основных узлов.

Архитектура компьютера

Шина адреса

Шина управления

Шина данных

!

Магистраль (шина) - устройство для обмена данными между устройствами компьютера.

Процессор (АЛУ, УУ)

Память

(ОЗУ, ПЗУ)

Устройства ввода

Устройства вывода

Внешняя

память

к

Шина адреса используется для указания физического адреса по которому устройство обращается для проведения операции чтения или записи.

Шина данных используется для передачи данных между узлами компьютера

По шине управления передаются сигналы, управляющие обменом информацией между устройствами и синхронизирующие этот обмен.

Контроллер – специальный микропроцессор для управления внешними устройствами.

к

к

Архитектура компьютера

Данные между внешними устройствами по магистрали передаются напрямую

Существенное снижение нагрузки на центральный процессор

Повышение эффективности работы всей вычислительной системы

Современные компьютеры обладают магистрально-модульной архитектурой, главное достоинство которой заключается в возможности легко изменить конфигурацию.

Направления развития

Электронная техника подошла к предельным значениям своих тех-нических характеристик, которые определяются физическими законами

Поиск неэлектронных средств хранения и обработки данных. Создание квантовых и биологических компьютеров

НАНОТЕХНОЛОГИИ

Самое главное

Независимо друг от друга Джон фон Нейман и Сергей Алексеевич Лебедев сформулировали основополагающие принципы построения компьютеров:

• состав основных компонентов вычислительной машины;
• принцип двоичного кодирования;
• принцип однородности памяти;
• принцип адресности памяти;
• принцип иерархической организации памяти;
• принцип программного управления.

---

Самое главное

Архитектура – это общие принципы построения компьютера, отражающие программное управление работой и взаимодействие его основных функциональных узлов. Архитектура первых компьютеров предполагала взаимодействие всех устройств через процессор и наличие неизменного набора внешних устройств.

Современные компьютеры обладают открытой магистрально-модульной архитектурой – устройства взаимодействуют через шину, что способствует оптимизации процессов внутреннего обмена информацией.

Современная архитектура позволяет легко изменить конфигурацию компьютера путём подключения к шине новых или замены старых внешних устройств.

Вопросы и задания

Ответ: 64 Кб

• Перечислите основные фундаментальные идеи, лежащие в основе построения компьютеров.
• Перечислите положительные и отрицательные стороны двоичного представления информации в компьютере.
• В чём состоит суть принципа адресности памяти?
• В некотором царстве, в некотором государстве, в некотором НИИ создали компьютер «Магия-7», соблюдая все принципы Неймана-Лебедева. Память «Магии-7» разделили на сегменты, а сегменты на ячейки. Адрес сегмента – однозначное шестнадцатеричное число. Смещение – трехзначное шестнадцатеричное число. Оцените размер памяти компьютера «Магия-7».
• В чём главное достоинство магистрально-модульной архитектуры?

Ответ

Информационные источники

• http://3.bp.blogspot.com/-0BljFZ8wcGI/VccXT4qYnuI/AAAAAAAAQ4I/6hhIl3JjOmU/ s1600/%25D0%25BD%25D0%25B5%25D0%25B9%25D0%25BC%25D0%25B0%25D0%25BD.jpg
• http://www.dev.daily_hero.idefa.ru/upload/iblock/338/338650330148463f6ea3164c63ca55cb.jpg
• http://tvgold-online.ru/uploads/posts/2014-08/1407262436_informaciya.jpg
• http://st03.kakprosto.ru/tumb/680/images/article/2011/3/9/1_525502e75afa7525502e75afe6.jpg
• http://pashap.ru/wp-content/uploads/2015/12/matplata-elbrus-e1450092635596.jpg
• http://hq-oboi.ru/photo/demontazh_processora_1920x1200.jpg
• http://dokak.ru/uploads/posts/2013-03-01/image_4566.jpg
• http://rd5.ru/files/articles/art2290.jpg
• http://batona.net/uploads/posts/2013-10/1383130219_1.jpg
• http://www.petelin.ru/pcmagic/lesson10/1.gif
• http://img.anews.com/media/posts/images/20141119/9dfa4df0c19b4167af17463e173fb4b5.jpg
• http://ternarycomp.cs.msu.ru/images/setun/p04.jpg
• http://elektroas.ru/wp-content/uploads/2010/02/razvitie-nanotehnologij.jpg
• http://fm.cnbc.com/applications/cnbc.com/resources/img/editorial/2013/08/14/100963200-172195324.1910x1000.jpg

---