Файл: Состав и свойства вычислительных систем, информационное и математическое обеспечение вычислительных систем. Устройство современных компьютеров.pdf

Введение

Компьютеры имеют очень большое значение в жизни современного человека. Многие современники связаны с использованием компьютерной техники на рабочих местах. При этом формы взаимодействия, как и функции компьютера, могут быть очень разными.

На заводе человек может управлять с помощью компьютера сложными станками, которые выполняют операции, например, по сбору деталей. Причем станки в силу своего специального устройства выполняют эту работу качественнее людей.

Инженер использует автоматизированные системы проектирования (САПР) для разработки сложных изделий и при помощи компьютера разрабатывает сложнейшие детали. С помощью графопостроителя можно распечатать чертеж в хорошем качестве. А 3D принтер поможет получить трехмерную модель изделия.

Медику компьютер, оснащенный специальным программным обеспечением, поможет грамотно поставить диагноз и подобрать эффективное лечение. Электронные нанороботы применяются для точной доставки лекарства непосредственно в организме человека. Развитие таких систем ученые считают очень перспективным направлением. Предполагается, что со временем нанороботы смогут изменять человеческие гены.

Незаменим компьютер и при выполнении любых видов офисных работ. Печать документов, красочные презентации – все эти работы современный человек реализует посредством использования компьютерных технологий.

Трудно найти сферу общественной жизни, в которой не использовался бы компьютер. Наблюдается усиление роли компьютера в жизни людей. На компьютеры возлагается все больше функций, и функции эти постоянно усложняются.

Компьютер является сложным высокотехнологичным многоуровневым устройством. Он представляет собой единство физического (аппаратное обеспечение), логического (программное обеспечение), интеллектуального (интерфейсное обеспечение) уровней.

Программы, под управлением которых работают современные компьютеры, должны быть очень качественными и надежными, так как часто от правильного срабатывания электроники зависит жизнь и здоровье людей.

Отдельно выделяют информационное обеспечение – совокупность программного обеспечения и специальным образом подготовленных данных.

В специализированных компьютерных системах совокупность программного и информационного обеспечения называют математическим обеспечением.

Актуальность изучения основных видов обеспечения компьютерной техники заключается в полезности этих знаний для профессиональной деятельности в любой сфере деятельности.

---

Объектом исследования курсовой работы являются состав и свойства вычислительных систем.

Предметом исследования курсовой работы являются информационное и математическое обеспечение вычислительных систем.

Цель курсовой работы – изучение основных принципов построения современных компьютеров и различные виды обеспечения их работы.

Задачи курсовой работы:

• изучить основы устройства компьютерной техники;
• изучить архитектуры современных компьютеров;
• изучить программное обеспечение современных компьютеров;
• изучить состав операционных систем современных компьютеров, их назначение и виды;
• исследовать информационное и математическое обеспечение компьютеров.

1 Устройство современных компьютеров

1.1 Компьютер как универсальное устройство обработки информации

Практические бытовые потребности заставили человека с древних времен искать способы делать вычисления быстро и изобретать устройства автоматизации этого процесса. Длительный многовековой путь в этом направлении привел, в конечном счете, к изобретению компьютеров.

Первый компьютер на электронной основе был сконструирован американскими инженерами в 1946 году. Вторая мировая война заставляла обе стороны конфликта заботиться об улучшении качества и эффективности вооружений. Расчеты траекторий баллистических ракет требовали очень скрупулезных и громоздких расчетов. Эти расчеты требовали очень длительного времени, так как выполняла их команда людей - специалистов.

Американские ученые и изобретатели создали первый компьютер для решения этой задачи. И, хотя война к моменту введения его в эксплуатацию уже закончилась, достигнутый эффект был революционным – ускорение и увеличение эффективности вычислений в 40 раз.

Первой электронно-вычислительной машиной стал ENIAC. Он имел следующие основные технические и конструкционные характеристики:

• вес 27 тонн;
• 167 кв.м занимаемой площади;
• 17, 5 тысяч электронных ламп, 7 тысяч диодов, 1500 реле, 70000 резисторов, 10000 конденсаторов;
• 6000 ручных переключателей;
• 5000 сложений или 357 умножений в секунду
• максимальное время непрерывной работы 20 часов;
• частота 100 КГц;
• десятичная система счисления.

Первый компьютер ENIAC представлен на рисунке 1.

Рисунок – Первый компьютер ENIAC

Программирование первой электронно-вычислительной машины было очень сложным занятием. Компьютер программировали, физически переключая контакты на специальной коммутационной панели. Инженеры могли разрабатывать новый порядок подключения контактов больше недели, для вычислений, которые компьютер производил затем за 5 минут.

---

Из-за часто случавшихся поломок, сгорания электронных ламп и существенного перегрева, ENIAC не мог работать непрерывно более 20 часов. Но даже в условиях таких ограничений использование ENIAC принципиально изменило качество и скорость выполнения расчетов. К примеру, расчеты, которые раньше человек – вычислитель осуществлял в течение четырех лет, ENIAC выполнял в течение двух недель.

Несмотря на некоторые неудобства в эксплуатации, первую ЭВМ использовали для выполнения различных вычислений в течение нескольких лет.

По результатам эксплуатации первой электронно-вычислительной машины ENIAC были сделаны некоторые важные выводы, главный из которых заключался в том, что компьютер – не просто очень быстрый вычислитель. При правильном конструкционном и логическом устройстве компьютеры могут стать универсальными обработчиками информации, то есть смогут со временем обрабатывать разные виды информации.

Конструкционные и логические основы, которые должны сделать производимые компьютеры надежным и универсальным устройством, были сформулированы в докладе группы ученых. Этот доклад был озвучен руководителем группы математиком фон Нейманом, поэтому предложенные в нем принципы устройства компьютера и улучшенная архитектура носят его имя.

Архитектура фон Неймана представлена на рисунке 2.

Рисунок – Архитектура фон Неймана

Основные принципы, предложенные группой фон Неймана:

• кодирование информации в двоичной системе счисления, разделение информации на минимальные единицы, называемые словами;
• алгоритм решения задачи представляется в виде последовательности управляющих слов, определяющих смысл операций (команд). Совокупность всех команд алгоритма называется программой;
• программа и данные хранятся в одной и той же области оперативной памяти;
• разнотипные слова отличаются способом использования, но не способом кодирования;
• устройство управления и арифметико-логическое устройство эффективно объединить в один блок (центральный процессор); процессор определяет порядок выполнения программы путем считывания команд из оперативной памяти;
• обработка информации сводится к последовательному выполнению команд в порядке, определенном программой; допускается нелинейных ход программы, определяемый заданным условием.

1.2 Архитектура компьютеров

Под архитектурой вычислительной системы понимают ее общую логическую организацию, определяющую структурную, схемотехническую и логическую организацию процессов кодирования и обработки данных, а также принципы взаимодействия ее технических средств и программного обеспечения.

---

Архитектура электронно-вычислительной машины представляет собой совокупность всех основных устройств, узлов и блоков компьютера, а также структуру и качество главных управляющих и информационных связей между ними, которая обеспечивает выполнение поставленных задач.

Базовыми свойствами архитектуры современных ЭВМ являются открытость архитектуры и магистрально-модульный принцип построения аппаратно-программных средств компьютера.

Магистрально-модульный принцип построения предполагает шинную организацию обеспечения связей между компонентами (модулями) компьютера, доступность этой связи для всех устройств.

Реализация магистрально-модульного принципа, в свою очередь, обеспечивает открытость системы – возможность конфигурирования компьютера произвольным образом и наращивания функций компьютера с помощью подключения на общих шинах самых разнообразных устройств, отвечающих заданным стандартам, от независимых производителей.

Архитектура современных компьютеров имеет отличия от классической архитектуры фон Неймана.

Процессорам большинства современных компьютеров присуща суперскалярная двух и более микропроцессорная (ядерная) структура и соответствующая специальная организация внутреннего устройства – конвейер.

Это позволяет реализовать современный принцип конвейеризации вычислений, который заключается в дроблении программы в процессе ее выполнения на фрагменты с одновременным параллельным выполнением «конвейера» команд.

К примеру пятиступенчатый конвейер микропроцессора i486 его пять включает пять этапов:

• выборка команды из памяти;
• декодирование команды;
• генерация адреса (определение адреса операндов в памяти);
• выполнение операции в арифметико-логическом устройстве;
• фиксация результата в памяти.

В результате на конвейере одновременно будут находиться в различных стадиях выполнения пять и более команд. В современных процессорах количество одновременно обрабатываемых команд доходит до десяти и более.

Для согласованности скорости медленной по сравнению с процессором оперативной памяти разработаны устройства многоуровневой памяти. Оперативную память (ее базовую часть большого объема) строят из относительно медленных (и более дешевых) элементов, а дополнительную кэш-память небольшого объема состоит из быстродействующих элементов.

Архитектура современных компьютеров предусматривает наличие каналов прямого доступа к оперативной памяти для обмена данными с устройствами ввода-вывода без задействования центрального процессора.

---

Микропроцессоры, имеющие в наличии один конвейер, называются скалярными, а два и более – суперскалярными.

Эволюция архитектуры компьютера представлена на рисунке 3.

Рисунок – Эволюция архитектуры компьютера

Аппаратура составляет базовую основу современного компьютера, но баз программного обеспечения аппаратура является безжизненным набором физических устройств.

Именно совокупность аппаратуры и программного обеспечения делает компьютер универсальным устройством, которые сегодня использует как в профессиональной, так и в повседневной жизни каждый современный человек.

1.3 Аппаратное обеспечение персонального компьютера

В современных персональных компьютерах принцип фон Неймана реализован посредством магистрально-модульного принципа построения.

Модульность устройства означает, что современный персональный компьютер может быть скомпонован пользователем из выбранных им самостоятельно устройств, соединив их при помощи унифицированных разъемов. Большинство производителей аппаратных комплектующих поддерживают принцип открытой архитектуры, выпуская детали, которые могут быть использованы в любом компьютере.

Рисунок – Системная плата компьютера

Все внешние (периферийные) устройства присоединяются к разъемам, расположенным на системной (материнской) плате (рисунок 4), которая является основным аппаратным компонентом компьютера. На системной плате реализована магистраль обмена информацией, расположены разъемы для установки оперативной памяти и процессора, а также слоты для установки контроллеров внешних устройств.

Для обмена информацией между процессором, внутренней памятью и периферийными устройствами, служит системная шина (магистраль), в состав которой входят:

• шина данных;
• шина адреса;
• шина управления.

Сигналы, определяющие характер обмена информацией по магистрали, передаются по шине управления.

Шина адреса необходима для обмена информацией между оперативной памятью и процессором.

По шине данных идет обмен данными между внутренними и внешними устройствами.

Схематическая иллюстрация магистрально-модульного устройства компьютера представлена на рисунке 5.

Рисунок - Магистрально-модульное устройство компьютера

Физическое устройство персонального компьютера устроено следующим образом. Центральное устройство и некоторые внешние (например, устройство внешней памяти накопитель на жестких магнитных дисках) размещено системном блоке компьютера. При этом многие из устройств интегрируются на главной плате компьютера – системной (материнской) плате.

---