Geum.ru

Конспект лекций по дисциплине информатика для студентов заочного отделения

Вид материалаКонспект

Содержание


2. Принципы работы и структура компьютера
Работа процессора
Подобный материал:
1   2   3   4   5   6   7   8

2. Принципы работы и структура компьютера



Основные принципы работы компьютера

В основу работы компьютера положены следующие основные принципы.

Принцип программного управления

Данный принцип предложен в середине XIX века английским математиком Августой Адой Лавлейс.

Суть его заключается в следующем: функционирование компьютера происходит по заранее составленной и помещенной в его память программе.

Программа представляет собой последовательность команд, которые может выполнять компьютер. Каждая команда реализует определенную элементарную операцию по обработке данных. Например, это могут операции выборки из памяти или записи в память данных, арифметические операции над данными (сложение, вычитание, умножение, деление), операции сравнения данных и т.п.

Здесь и далее под термином данные будем понимать порции информации, связанной с решаемой на компьютере задачей, которые хранятся в его памяти в закодированном виде (в виде двоичных кодов, т.е. последовательностей из нулей и единиц).

Команда также представляет собой двоичный код, определяющий какую операцию и над какими данными необходимо выполнить. Весь набор команд, которые может выполнять компьютер некоторого типа, принято называть его машинным (внутренним) языком или языком машинных команд.

Компьютеры разных типов имеют разные машинные языки и «понимают» только свой машинный язык. Таким образом, чтобы решить на компьютере любую задачу (вычислительную, обработки текста, графики и т.д.), надо иметь программу на его машинном языке, определяющую, какие операции, над какими данными и в какой последовательности нужного выполнить, чтобы достигнуть требуемого результата.


Принцип произвольного доступа к ячейкам основной памяти

Этот принцип предложен в 1945году выдающимся математиком венгерского происхождения Джоном фон Нейманом и заключается в том, что компьютеру в произвольный момент времени доступна любая ячейка его основной (оперативной) памяти, причем время доступа (время чтения или записи данного) одинаково для всех ячеек.

Основная память компьютера разбита на минимально допустимые ячейки памяти, именуемые байтами. Байты памяти пронумерованы и для доступа к ним используются их порядковые номера – адреса байт. При этом общее число N байт памяти называется объемом основной памяти.

Основная память

0001

0002 байты памяти с их номерами

0003

.

.

.

000N


Замечание. В общем случае ячейка памяти для хранения данного (в зависимости от его типа) может занимать не только один байт, но и несколько последовательных байт. Кроме того, у компьютера, помимо основной памяти, имеются еще и другие виды памяти (см. далее).


Принцип хранимой программы

Этот принцип также был предложен Джоном фон Нейманом. Он состоит в том, что программа решения задачи при ее выполнении также хранится в основной памяти наряду с обрабатываемыми данными.

Это означает, например, что команды одной программы могут быть результатом выполнения другой программы, т.е. очень трудоемкий процесс создания программ на языке машинных команд можно возложить на сам компьютер.

Структура компьютера

Структуру компьютера можно представить следующей упрощенной функциональной схемой.




Дополнительные

устройства






Центральные устройства

Процессор






Устройства ввода Основная память Устройства вывода







Внешняя

память


Центральные устройства компьютера

Любой компьютер имеет два основных устройства: основную или оперативную память и процессор, которые являются центральными устройствами компьютера. Основная память хранит обрабатываемые данные и программу их обработки, а процессор производит обработку данных в соответствии с программой и управляет работой других устройств.

В основной памяти хранятся те данные и программа, которые необходимы процессору на текущем этапе работы, поэтому ее часто называют еще оперативной памятью.

Этот вид памяти представляет собой электронное устройство. Такая память имеет ограниченную емкость, но обеспечивает процессору высокую скорость записи и считывания информации из своих ячеек. Информация сохраняется в основной памяти лишь до момента выключения компьютера.

Работа процессора состоит в пошаговом выполнении команд программы. На каждом шаге обработки информации процессор выбирает из памяти очередную команду и данные, необходимые для ее выполнения, исполняет предписанную командой операцию и записывает результат в память. Затем процессор переходит к выполнению следующей команды.

Так продолжается до тех пор, пока из памяти не будет выбрана специальная команда останова (завершения программы).

Важной характеристикой процессора является его быстродействие, т.е. количество операций по обработке данных, выполняемых за одну секунду.

Периферийные устройства компьютера

Кроме центральных устройств компьютер имеет целый набор так называемых периферийных устройств. Они обеспечивают связь человека (пользователя) с компьютером, служат внешними источниками информации, вводимой в основную память, хранят объемы информации, превышающие объем основной памяти, обеспечивают представление результатов обработки информации в удобной для восприятия человеком форме: в виде текстов, таблиц, графиков, иллюстраций и т.п.

Наиболее распространенными из периферийных устройств являются следующие устройства.

Внешняя память

Внешняя память реализуется обычно на магнитных дисках, магнитных лентах, других видах носителей информации. Чаще всего используются жесткие магнитные диски («винчестеры») и гибкие магнитные диски (дискеты), а также компакт-диски.

Это все механические устройства. По сравнению с основной памятью они обладают существенно большей емкостью (особенно жесткие магнитные диски), но значительно меньшей скоростью записи и считывания информации (из-за своей механической природы).

Процессор не имеет непосредственного доступа к информации на устройствах внешней памяти. По мере необходимости, информация «подкачивается» из этих устройств в основную память или, наоборот, записывается на них из основной памяти.

Информация на этих устройствах памяти сохраняется и после выключения компьютера.


Единицы измерения емкости памяти

Емкость памяти (как основной, так и дополнительной) измеряется в специальных единицах: байтах, килобайтах (Кбайт), мегабайтах (Мбайт), гигабайтах (Гбайт).

1 байт = 8 бит (двоичных разрядов, хранящих 0 или 1)

1 Кбайт = 1024 байт

1 Мбайт = 1024 Кбайт

1 Гбайт = 1024 Мбайт


Устройства ввода

Служат для ввода информации в компьютер. Наиболее часто используются следующие устройства:
  • клавиатура (для ввода текстовой и числовой информации, а также команд пользователя);
  • манипулятор типа «мышь» (для ввода команд пользователя);
  • сканер (для считывания текстов и различных изображений);
  • микрофон (для ввода звука).


Устройства вывода

Служат для вывода информации из компьютера. Наиболее часто используются:
  • монитор (для вывода информации на экран);
  • принтер (для вывода информации на печать);
  • графопостроитель (для вывода различного рода чертежей);
  • акустическая система (для воспроизведения звука).


Дополнительные устройства

Служат обычно для связи компьютера с внешним миром. Примерами таких устройств могут служить:
  • модемы (для подключения компьютера к телефонным каналам связи);
  • устройства сопряжения с объектом (для связи компьютера с управляемыми им объектами).



Поколения компьютеров

Под поколением компьютеров понимают все типы и модели компьютеров, созданные различными конструкторскими коллективами в разных странах и построенные на единых научных и технических принципах.

Появление каждого нового поколения компьютеров определялось в первую очередь появлением новой элементной базы, т.е. электронных элементов, на основе которых создавались компьютеры (электронные лампы, полупроводниковые элементы и т.п.). Кроме того, новое поколение отличалось от предыдущего новыми решениями в архитектуре компьютеров, организации вычислительного процесса, режимах использования компьютеров и т.п.

Можно выделить пять поколений компьютеров. Остановимся кратко на их основных характеристиках.

Первое поколение (начало 50-х годов XX века). Элементная база – электронные лампы. Компьютеры отличались большими габаритами и весом, значительным потреблением энергии, малым быстродействием (10-20 тыс. операций в секунду), низкой надежностью и трудоемким программированием (непосредственно в кодах команд машины).

Второе поколение (с конца 50-х годов). Элементная база – полупроводниковые элементы (диоды, транзисторы). По сравнению с компьютерами первого поколения примерно на порядок улучшились все технические характеристики (например, быстродействие стало: сотни тысяч – один миллион операций в секунду). Для программирования начинают использоваться алгоритмические языки.

Третье поколение (начало 60-х годов). Элементная база – интегральные схемы. Применяется многослойный печатный монтаж. Резкое снижение габаритов компьютеров, повышение их быстродействия (до нескольких миллионов операций в секунду) и надежности. Обеспечивается доступ к компьютеру с удаленных терминалов.

Четвертое поколение (с середины 70-х годов). Элементная база – большие интегральные схемы и микропроцессоры. Еще на порядок улучшились технические характеристики (например, быстродействие возросло до десятков миллионов операций в секунду). Начинается массовый выпуск персональных компьютеров. Создаются многопроцессорные вычислительные системы высокой производительности (до сотен миллионов операций в секунду) и дешевые микро-компьютеры.

Пятое поколение (с середины 80-х годов). Начало разработки интеллектуальных компьютеров (так пока и не увенчалось полным успехом). Идет широкое внедрение компьютерных сетей и их объединение. Появляется глобальная компьютерная сеть Интернет. Начинает использоваться распределенная обработка данных. Расширяется внедрение компьютерных информационных технологий.

Основные отличительные черты интеллектуального компьютера:
  1. общение пользователя с компьютером на языке проблемной области в естественной для пользователя форме (текст, речь, изображения и т.п.);
  2. понимание компьютером описания проблемы и необходимых спецификаций (в идеале на естественном языке);
  3. синтез процедур обработки (программных средств) на основе описаний и спецификаций;
  4. манипулирование знаниями и получение логических выводов на основе накопленных знаний;
  5. оптимальное распределение функций между аппаратными и программными средствами компьютера.


Аппаратные и программные средства компьютера

Компьютер – это совокупность двух компонент:
  • аппаратных средств (электронных и механических устройств), называемых техническим обеспечением компьютера (по-английски HardWare)
  • программных средств, именуемых программным обеспечением (по-английски SoftWare).

Эта вторая компонента компьютера не менее важна, чем первая. Именно она «оживляет» компьютер. Если компьютер выполняет какую-либо работу, это означает, что в данный момент времени на нем выполняется некоторая программа.

Таким образом, компьютер – это совокупность двух равноправных компонент: технического обеспечения и программного обеспечения.




Компьютер




Техническое Программное

обеспечение + обеспечение

(HardWare) (SoftWare)


Остановимся более подробно на указанных компонентах применительно к персональным компьютерам (ПК).