Мелитопольский государственный педагогический университет кафедра Информатики и кибернетики архитектура ЭВМ учебное пособие (Конспект лекций)
| Вид материала | Учебное пособие |
- Конспект лекций москва 2004 удк 519. 713(075)+519. 76(075) ббк 22. 18я7, 1805.53kb.
- Учебное пособие Житомир 2001 удк 33: 007. Основы экономической кибернетики. Учебное, 3745.06kb.
- Томский государственный университет кафедра новой, новейшей истории и международных, 2383.42kb.
- Учебно-методический комплекс по дисциплине архитектура ЭВМ (физико-математический факультета, 322.24kb.
- В. Е. Никитин биомедицинская этика учебное пособие, 1537.51kb.
- Учебное пособие Министерство общего и профессионального образования Российской Федерации, 936.13kb.
- Проблемы кибернетики и информатики” (pci’2010), 57.04kb.
- Учебное пособие Красноярск 2009 ббк 74. 204, 4704.72kb.
- Конспект лекций по курсу «Организация ЭВМ и систем» Организация прерываний, 576.86kb.
- В. Н. Вершинин Электронный вариант Педагогический процесс в условиях вечерней школы, 2063.5kb.
МЕЛИТОПОЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
Кафедра Информатики и
кибернетики
АРХИТЕКТУРА ЭВМ
Учебное пособие (Конспект лекций)
для студентов специальности
«Информатика»
2006 г.
Составил: доцент Чураков А.Я.
Содержание Стр.
Лекция 1 История развития вычислительной техники. Архитектура ЦЭВМ …. 6
1.1 История развития вычислительной техники …………………………………… 6
1.2 Закон Мура …………………………………………………………………….. 9
1.3 Основные компоненты PC ……………………………………………………... 10
1
.4 Современные многоуровневые машины……………………………………….. 11Лекция 2 Основы компьютерной техники………………………………………... 15
2.1 Общая характеристика компьютерной техники ……………………………….. 15
2.2 Принцип программного управления……………………………………………. 18
2.3 Основные характеристики компьютеров………………………………………... 20
Лекция 3 Системные (материнские) платы. ……………………………………… 22
Введение……………………………………………………………………………… 22
3.1 Основные характеристики материнской платы ………………………………... 25
3.2 Форм-факторы материнских плат ……………………………………………… 25
3.2.1 Форм-фактор АТ……………………………………………………………….. 25
3.2.2 Форм-фактор LPX…………………………………………………………… 26
3.2.3 Форм-фактор АТX…………………………………………………………… 27
3.2.4 Форм-фактор Micro ATX………………………………………………………. 27
3.2.5 Форм-фактор NLX…………………………………………………………… 30
Лекция 4 Шины…………………………………………………………………… 32
4.1 Классификация шин……………………………………………………………… 32
4.2 Основные характеристики шины ………………………………………………… 34
4.3 Интерфейс………………………………………………………………………… 35
4.4 Системные шины………………………………………………………………… 35
4.5 Шины ввода/вывода ……………………………………………………………… 36
4.5.1 Шина ISA……………………………………………………………………… 36
4.5.2 Шина PCI……………………………………………………………………… 37
4.5.3 Шина АGР……………………………………………………………………… 39
4.5.4 Шина USB……………………………………………………………………… 39
4.5.5 Шина SCSI…………………………………………………………………… 42
4.5.6 Шина IEEE 1394…………………………………………………………………43
Лекция 5 Последовательный и параллельный порты. ……………………………44
5.1 Параллельные интерфейсы ……………………………………………………… 45
5.1.1. Интерфейс Centronics и LPT-порт ………………………………………… ……45
5.1.2 Интерфейс Centronics …………………………………………………… …… 45
5.1.3 Традиционный LPT-порт ……………………………………………… ………45
5.1.4 Расширения параллельного порта ……………………………………………… 46
5.1.5 Стандарт IEEE 1284 …………………………………………………………… 46
5.1.6 Физический и электрический интерфейсы ……………………………………….46
5.2 Последовательные интерфейсы ………………………………………………… 47
5.2.1. Способы последовательной передачи ……………………………………………..47
5.2.2 Интерфейс RS-232C ………………………………………………………………49
5.2.3 Электрический интерфейс ……………………………………………………… 49
5.2.4 СОМ-порт ……………………………………………………………………… 49
5.2.5 Использование СОМ-портов …………… …………………………………… 49
Лекция 6 Жесткий диск……………… ………………………………………………51
6.1 Что такое жесткий диск………… ……………………………………………… 51
6.2 Принципы работы накопителей на жестких дисках…………………………… 52
6.3 Дорожки и секторы………………………………………………………………….54
6.4 Форматирование дисков …………………………………………………………….54
6.4.1 Форматирование низкого уровня…………………………………………………55
6.4.2 Организация разделов на диске……………………………………………………57
6.5 Форматирование высокого уровня. ………………………………………… ……..58
6.6 Основные узлы накопителей на жестких дисках………………………… ……..58
6.7 Диски………………………………………………………………… …………59
6.8 Плата управления…………………………………………………… …………….60
6.9 Характеристики накопителей на жестких дисках…………… …………………60
6.10 Деление жесткого диска на логические части…………………………………… 61
Лекция 7 Приводы СD – ROM…………………………………………… ……… 62
7.1 Компакт-диски и устройства для работы с ними………………………… ……….. 62
7.2 Физическое устройство CDROM Drive……………………………… …………… 64
7.3 Устройства для записи на CD……………………………………… …………… 64,
7.4 DVD – диски. …………………………………………………… ………………. 65
7.5 Подключение CD-ROM, CD-R, CD-RW, DVD-ROM……………………………… 67
7.6 Форматы записи использующиеся в CD-ROM…………………………………… 67
7.7 Дисковод гибких дисков………………………… ………………………………. 68
7.8 Устройство дискеты……………………………………………………… ……… 69
Лекция 8 Мониторы и видеоадаптеры………………………………………………. 71
8.1 Мониторы…………………………………………… ………………………….. 71
8.1.1 Основные принципы устройства CRT – монитора ………………… …… 71
8.1.2 Различные типы CRT трубок………………………………………………….. 72
8.2 Жидкокристаллические мониторы (LCD). . ……………………………….. 74
8.3 Прочие интересные технологии мониторов …………………………………….. 75
8.3.1 Плазменные мониторы.. ………………………………………………………. 75
8.3.2 FED мониторы…………………………………………………………………. 75
8.4 Основные параметры монитора…………………………………………………. 77
8.5 Типы видеоадаптеров……………………………………………………… …. 78
8.6 Компоненты видеосистемы………………………………………………… …81
8.7 Видеодрайвер………………………………………………………………… 81
Лекция 9 Устройства ввода………………………………… ………………… 82
9.1 Клавиатуры………………………………………………………………………82
9.1..2 Расширенные 101- и 102-клавишная клавиатуры……………………………..82
9.1.3 104-клавишная Windows-клавиатура………………………… ……………..84
9.1.4 Клавиатуры для порта USB………………………………………………… . 84
9.1.5 Портативные клавиатуры………………………………… ………………… 85
9.1.6 Интерфейс клавиатуры………………………………… ………………… .85
9.1.7 Эргономичные клавиатуры………………………… ……………………….86
9.1.8 Мультимедийные и Web-клавиатуры………………………………… ……..86
9.2..2 Мышь……………………………………………………………… ……… 86
9.2.1 Интерфейсы мыши ………………………………………… …………….. 89
9.3 Устройство Track Point II/III………………………………… …………………89
9.4 Беспроводные устройства ввода данных………………… ……………………90
9.5 Сканеры……………………………………………… ……………………… 91
9.5.1 Ручные сканеры…………………………………………………… …………91
9.5.2 Листопротяжные сканеры……………………………………… ……………92
9.5.3 Настольные (планшетные) сканеры………………………… ………………92
9.5.4 Сканеры для слайдов…………………………………… …………………...92
9.5.5 Барабанные сканеры. ……………………………… ………………………...92
Лекция 10 Устройства вывода………………………… …………………………..94
10. Принтеры………………………………………… ………………………… …94
10.1.1 Матричные игольчатые принтеры…………………………………… …… 94
10.1.2 Термопринтеры…………………………………………………… ……… 97
10.1.3…Струйные принтеры…………………………………………………… … 97
10.1.4 Лазерные принтеры………………………………………………………… 99
10.1.5 Твердочернильные принтеры……………………………………………… 101
10.2 Плоттеры……………………………………………………………………… 101
10.3 Форматы данных………………………………………………………………102
Список литературы…………………………………………………………… 104
Лекция 1 История развития вычислительной техники. Архитектура ЦЭВМ
1.1 История развития вычислительной техники
1.2 Закон Мура
1.3 Основные компоненты PC
1.4 Современные многоуровневые машины
1.1 История развития вычислительной техники
Механические калькуляторы
Одним из самых первых вычислительных устройств является абак, используемый уже более 2000 лет. Абак представляет собой деревянную раму, содержащую ряд параллельных прутьев с камешками или костяшками. Существует ряд правил, согласно которым костяшки перемещаются в правую или левую сторону, таким образом позволяя выполнять различные арифметические операции. (Бухгалтерские счеты, например, являются дальним родственником абака.)
Первая европейская машина была создана Непером (создателем логарифмов) в начале XVII века. Она могла выполнять операцию умножения двух чисел.
В 1642 году Блез Паскаль создал прообраз цифровой вычислительной машины, позволяющей проводить операции сложения чисел. Машина предназначалась отцу Паскаля, который работал сборщиком налогов. Позднее, в 1671 году, Готфрид Вильгельм фон Лейбниц разработал вычислительную машину, построив ее только в 1694 году. Она позволяла выполнять операции сложения и умножения чисел.
Первый коммерческий механический калькулятор был создан Чарльзом Ксавьером Томасом в 1820 году. Это была “совершенная” машина — она выполняла операции сложения, вычитания, умножения и деления.
Первый механический компьютер
Отцом этого компьютера можно по праву назвать Чарльза Баббаджа, профессора математики Кембриджского университета. Эта машина, созданная в 1812 году, могла решать полиномиальные уравнения различными методами. Создав в 1822 году небольшую рабочую модель своего компьютера и продемонстрировав ее Британскому правительству, Баббадж получил средства на дальнейшее развитие своей системы. Новая машина была создана в 1823 году. Она была паровой, полностью автоматической и даже распечатывала результаты в виде таблицы.
Работа над этим проектом продолжалась еще 10 лет, и в 1833 году был создан первый “многоцелевой” компьютер, названный аналитической машиной. Она могла оперировать числами с 50 десятичными знаками и сохраняла до 1 000 чисел. Впервые в этой машине было реализовано условное выполнение операций — прообраз современного оператора IF.
Аналитическая машина Баббаджа с полным основанием считается предшественником современного компьютера, так как содержит все ключевые элементы, из которых состоит компьютер.
- Устройство ввода данных. В машине Баббаджа был применен принцип ввода данных с помощью перфокарт, когда-то используемый в ткацких станках на текстильных фабриках.
- Блок управления. Для управления, или программирования вычислительного устройства использовался барабан, содержащий множество пластин и штифтов.
- Процессор (или вычислительное устройство). Вычислительная машина высотой около 10 футов, содержащая в себе сотни осей и несколько тысяч шестеренок.
- Запоминающее устройство. Блок, содержащий еще больше осей и шестеренок, позволяющий хранить в памяти до тысячи 50-разрядных чисел.
- Устройство вывода. Пластины, связанные с соответствующей печатной машиной, использовались для печати полученных результатов.
К сожалению, из-за недостаточной точности механической обработки шестеренок и механизмов первый потенциальный компьютер так и не был полностью построен. Технологический уровень производства того времени был слишком низок.
Интересно, что идея использования перфорационных карт, впервые предложенная Баббаджем, воплотилась только в 1890 году.
Электронные компьютеры
Физик Джон В. Атанасов вместе с Клиффордом Берри (Clifford Berry) с 1937 по 1942 год работали в университете штата Айова над созданием первой цифровой электронно-вычислительной машины.
Использование вычислительной техники во время второй мировой войны послужило серьезным толчком для развития компьютеров. В 1943 году англичанин Алан Тьюринг завершил работу над созданием военного компьютера “Колосс”, используемого для расшифровки перехваченных немецких сообщений. В университете штата Пенсильвания создали первую комплексную электронно-вычислительную машину для военных целей. Эта система получила название ENIAC (Electrical Numerical Integrator and Calculator). Она работала с десятизначными числами и выполняла операции умножения со скоростью около 300 произведений в секунду, находя значения каждого произведения в таблице умножения, хранящейся в оперативной памяти. Производительность этой системы была примерно в 1 000 раз выше, чем у электромеханических релейных вычислительных машин предыдущего поколения.
В компьютере ENIAC использовалось около 18 тыс. вакуумных ламп, он занимал полезную площадь, равную примерно 167 квадратным метрам и потреблял приблизительно 180 тыс. ватт. Для ввода и вывода данных использовались перфорационные карты, регистры выполняли роль сумматоров, а также предоставляли доступ вида чтение/запись к хранилищу данных.
Немногим ранее, в 1945 году, математик Джон фон Нейман (John von Neumann) доказал, что компьютер представляет собой целостную физическую структуру и может ффективно выполнять любые вычисления с помощью соответствующего программного управления без изменения аппаратной части. Другими словами, программы можно изменять, не меняя аппаратного обеспечения. Этот принцип стал основным и общепринятым правилом для будущих поколений быстродействующих цифровых компьютеров.
После появления UNIVAC темпы эволюции компьютеров заметно ускорились. В первом поколении компьютеров использовались вакуумные лампы, на смену которым пришли меньшие по размерам и более эффективные транзисторы.
Интегральные схемы
В 1959 году сотрудники компании Texas Instruments изобрели интегральную схему — полупроводниковое устройство, в котором без проводов соединяется несколько расположенных на одном кристалле транзисторов. В первой интегральной схеме их было всего шесть. Для сравнения заметим, что микропроцессор Pentium Pro состоит из 5,5 млн транзисторов, а интегрированная кэш-память, встроенная в одну из микросхем, содержит еще 32 млн транзисторов. Сегодня во многих интегральных схемах используется несколько миллионов транзисторов.
Первый микропроцессор
В 1998 году компания Intel отпраздновала свое тридцатилетие. Она была основана 18 июля 1968 года Робертом Нойсом (Robert Noyce), Гордоном Муром (Gordon Moore) и Эн-дрю Гроувом (Andrew Grove).
В 1970 году Intel выпустила микросхему памяти емкостью 1 Кбит, намного превысив емкость существующих в то время микросхем. (1 Кбит равен 1024 битам, один байт состоит из 8 битов, т.е. эта микросхема могла хранить всего 128 байт информации..
Intel. В 1971 году разработала первый 4-разрядный микрокомпьютерный набор 4004 (термин микропроцессор появился значительно позднее). Микросхема размером с ноготь большого пальца содержала 2 300 транзисторов, стоила 200 долларов и по своим параметрам была сопоставима с первой электронно-вычислительной машиной ENIAC
В 1972 году был выпущен преемник 4004 — 8-разрядный микропроцессор 8008. А в 1981 году семейство процессоров Intel пополнилось новой 16-разрядной моделью 8086 и 8-разрядной 8088. Эти процессоры получили в течение всего лишь одного года около 2 500 наград за технологические новшества и достижения в сфере вычислительных систем. В число призеров вошла и одна из разработок компании IBM, ставшая впоследствии первым персональным компьютером.
В 1982 году Intel представила микропроцессор 286, содержащий 134 тыс. транзисторов. По эффективности он превосходил другие 16-разрядные процессоры того времени примерно в три раза. Благодаря концепции внутрикристальной памяти 286 стал первым микропроцессором, совместимым со своими предшественниками. Этот качественно новый микропроцессор был затем использован в эпохальном компьютере PC-AT компании IBM.
В 1985 году появился 32-разрядный процессор Intel 386. Он содержал 275 тыс. транзисторов и выполнял более 5 млн операций в секунду (Million Instruction Per Second — MIPS). Компьютер DESKPRO 386 компании Compaq был первым персональным компьютером, созданным на базе нового микропроцессора.
Следующим из семейства Intel стал процессор 486, появившийся в 1989 году. Он содержал уже 1,2 млн транзисторов и первый встроенный сопроцессор. Он работал в 50 раз быстрее процессора 4004, и его производительность была эквивалентна производительности мощных мэйнфреймов.
В 1993 году Intel представила первый процессор Pentium, производительность которого выросла в пять раз по сравнению с семейством Intel 486. Pentium содержал 3,1 млн транзисторов и выполнял до 90 млн операций в секунду, что примерно в 1 500 раз превышало быстродействие процессора 4004.
Процессор семейства P6, называемый Pentium Pro, появился на свет в 1995 году. Он содержал 5,5 млн транзисторов и являлся первым процессором, кэш-память второго уровня которого была размещена прямо на кристалле, что позволяло значительно повысить быстродействие. Даже в наше время процессор Pentium Pro, выполняющий до 300 млн команд в секунду, все еще используется для многопроцессорных серверов и высокоэффективных рабочих станций.
Компания Intel пересмотрела архитектуру P6 (Pentium Pro) и в мае 1997 года представила процессор Pentium II. Он содержит 7,5 млн транзисторов, упакованных, в отличие от традиционного процессора, в картридж, что позволило разместить кэш-память L2 непосредственно в модуле процессора. В апреле 1998 года семейство Pentium II пополнилось дешевым процессором Celeron, используемым в домашних ПК, и профессиональным процессором Pentium II Xeon, предназначенным для серверов и рабочих станций. В 1999 году Intel выпустила процессор Pentium III, который представлял собой, по сути, Pentium II, содержащий инструкции SSE (Streaming SIMD Extensions).
В то время как процессор Pentium стремительно занимал доминирующее положение на рынке, компания AMD приобрела компанию NexGen, работавшую над процессором Nx686. Результатом слияния компаний явился процессор AMD К6. Этот процессор как в аппаратном, так и программном отношении был совместим с процессором Pentium, т.е. устанавливался в гнездо Socket 7 и выполнял те же программы. Компания AMD продолжила разработку более быстрых версий процессора K6 и завоевала значительную часть рынка ПК среднего класса.
В 1999 году AMD представила процессор Athlon, который составил достойную конкуренцию процессорам Intel на рынке профессиональных компьютеров.
Следующий, 2000-й год ознаменовался появлением на рынке новых разработок этих компаний. Так, например, AMD впервые представила процессоры Athlon Thunderbird и Duron. Процессор Duron, разработанный для более дешевых систем, по существу, идентичен процессору Athlon и отличается от него только меньшим объемом кэш-памяти второго уровня; Thunderbird, в свою очередь, использует интегрированную кэш-память, что позволяет значительно повысить его быстродействие.
Компания Intel в 2000 году представила Pentium IV, новейший процессор из семейства IA-32. Компания также анонсировала процессор Itanium (кодовое имя Merced), который стал первым представителем 64-разрядных процессоров Intel (IA-64). Благодаря этому процессору в недалеком будущем появятся совершенно новые операционные системы и приложения, которые, тем не менее, будут совместимы с 32-разрядным программным обеспечением.
В 2000 году произошло еще одно знаменательное событие, имеющее историческое значение: компании Intel и AMD пересекли барьер в 1 ГГц, который до того времени многим казался непреодолимым.
12 августа 1981 года с рождением IBM PC в мире микрокомпьютерной индустрии появился новый стандарт. С тех пор были проданы сотни миллионов PC-совместимых компьютеров, а на его основе выросло огромное семейство компьютеров и периферийных устройств. Программного обеспечения для этого семейства создано больше, чем для любой другой системы.
1.2 Закон Мура
В 1965 г. Гордон Мур в ходе подготовки доклада о перспективах развития компьютерной памяти обнаружил интересную особенность: емкость каждой новой микросхемы памяти удваивается по сравнению с ее предшественницей, а сама новая микросхема появляется каждые 18-24 месяца. Построив линию тренда, Мóр отметил, что производительность компьютеров будет увеличиваться экспоненциально по времени. Эту зависимость стали называть законом Мура. Кстати, этот закон описывает не только рост емкости оперативной памяти, он часто используется для определения степени роста быстродействия процессоров и емкости жестких дисков. За 26 лет количество транзисторов процессора увеличилось в 3 200 раз: от 2,3 тыс. в процессоре 4004 до 7,5 млн в Pentium II.
Что нас ждет в будущем? Здесь логичнее было бы привести числовые данные (например, к 2011 году Intel выпустит процессор с 1 млрд транзисторов, тактовой частотой 10 ГГц, изготовленный по 0,07-микронной технологии и способный выполнять 100 млрд операций в секунду), но с уверенностью можно сказать лишь одно: компьютеры будут быстрее, меньше и дешевле.
1.3 Основные компоненты PC
Ниже перечислены все компоненты, которые должен содержать современный PC. Компоненты, необходимые для сборки современной системы PC:
- системная плата;
- процессор;
- память (оперативная память);
- корпус;
- блок питания;
- дисковод для гибких дисков;
- жесткий диск;
- накопитель CD-ROM, CD-R или DVD-ROM;
- клавиатура;
- мышь;
- видеоадаптер;
- монитор (дисплей);
- звуковая плата;
- акустические системы;
- модем.
Системная плата является центральной частью системы, к которой подключаются все аппаратные компоненты ПК;
Процессор -это “двигатель” компьютера. Его называют также центральным процессором или CPU (central processing unit).
Оперативная память системы часто называется оперативной или памятью с произвольным доступом (Random память Access Memory - RAM). Это основная память, в которую записываются все программы и данные, используемые процессором во время обработки.
Корпус это рама или шасси, внутри которой размещается системная плата, блок питания, дисководы, платы адаптеров и любые другие компоненты системы;
От источника питания электрическое напряжение подается к каждому отдельному компоненту PC;
Дисковод гибких дисков Прост, недорог и позволяет использовать сменный магнитный носитель;
Накопитель на жестких дисках - самый главный носитель информации в системе. На нем хранятся все программы и данные, которые в настоящий момент не находятся в оперативной памяти.
Накопители CD-ROM (Compact Disc - компакт-диск) и DVD-ROM (Digital Versatile Disc – цифровой CD-ROM/ универсальный диск) представляют собой запоминающие устройства относительно большой емкости со сменными носителями с оптической записью информации;
Клавиатура .-Это основное устройство PC, которое с самого начала было создано для того, чтобы пользователь мог управлять системой
Мышь. С появлением операционных систем, в которых использовался графический интерфейс пользователя (Graphical User Interface — GUI), возникла необходимость в устройстве, которое позволяло бы пользователю указывать или выбирать объекты, отображаемые на экране. Служит для управления отображением информации, которую вы видите на мониторе;
Монитор служит для отображения информации на экране.
Современные многоуровневые машины
Большинство современных компьютеров состоит из двух и более уровней. Существуют машины даже с шестью уровнями (рис. 1). Уровень 0 — аппаратное обеспечение машины. Его электронные схемы выполняют программы, написанные на языке уровня 1. Ради полноты нужно упомянуть о существовании еще одного уровня, расположенного ниже уровня 0. Он называется уровнем физических устройств. На этом уровне находятся транзисторы, которые являются примитивами для разработчиков компьютеров. На самом нижнем уровне, цифровом логическом уровне, объекты называются логическими элементами (ЛЭ) или вентилями. У каждого вентиля есть одно или несколько цифровых входных данных (сигналов, представляющих 0 или 1). Вентиль вычисляет простые функции этих сигналов, такие как И или ИЛИ. Каждый вентиль формируется из нескольких транзисторов. Несколько вентилей, образующие триггер, формируют 1 бит памяти, который может содержать 0 или 1. Биты памяти, объединенные в группы, например, по 16, 32 или 64, формируют регистры. Каждый регистр может содержать одно двоичное число до определенного предела.
Следующий уровень — микроархитектурный уровень. На этом уровне можно видеть совокупности 8 или 32 регистров, которые формируют локальную память и схему, называемую АЛУ (арифметико-логическое устройство). АЛУ выполняет простые арифметические операции. Регистры вместе с АЛУ формируют тракт данных, по которому поступают данные. Основная операция тракта данных состоит в следующем. Выбирается один или два регистра, АЛУ производит над ними какую-либо операцию, например сложения, а результат помещается в один из этих регистров.
На некоторых машинах работа тракта данных контролируется особой программой, которая называется микропрограммой. На других машинах тракт данных контролируется аппаратными средствами. В предыдущих изданиях книги мы назвали этот уровень «уровнем микропрограммирования», потому что раньше он почти всегда был интерпретатором программного обеспечения. Поскольку сейчас тракт данных обычно контролируется аппаратным обеспечением, мы изменили название, чтобы точнее отразить смысл. На машинах, где тракт данных контролируется программным обеспечением, микропрограмма — это интерпретатор для команд на уровне 2. Микропрограмма вызывает команды из памяти и выполняет их одну за другой, используя при этом тракт данных. Например, для того чтобы выполнить команду ADD, эта команда вызывается из памяти, ее операнды помещаются в регистры, АЛУ вычисляет сумму, а затем результат переправляется обратно. На компьютере с аппаратным контролем тракта данных происходит такая же процедура, но при этом нет программы, которая контролирует интерпретацию команд уровня 2.
Второй уровень мы будем называть уровнем архитектуры системы команд.
Каждый производитель публикует руководство для компьютеров, которые он продает, под названием «Руководство по машинному языку» или «Принципы работы компьютера Western Wombat Model 100X» и т. п. Такие руководства содержат информацию именно об этом уровне. Когда они описывают набор машинных команд, они в действительности описывают команды, которые выполняются микропрограммой-интерпретатором или аппаратным обеспечением. Если производитель поставляет два интерпретатора для одной машины, он должен издать два руководства по машинному языку, отдельно для каждого интерпретатора.
Третий уровень операционной системы обычно гибридный. Большинство команд в его языке есть также и на уровне архитектуры системы команд (команды, имеющиеся на одном из уровней, вполне могут находиться на других уровнях). У этого уровня есть некоторые дополнительные особенности: набор новых команд, другая организация памяти, способность выполнять две и более программ одновременно и некоторые другие. При построении третьего уровня возможно больше вариантов, чем при построении первого и второго.
Новые средства, появившиеся на третьем уровне, выполняются интерпретатором, который работает на втором уровне. Этот интерпретатор был когда-то назван операционной системой. Команды третьего уровня, идентичные командам второго уровня, выполняются микропрограммой или аппаратным обеспечением, но не операционной системой. Иными словами, одна часть команд третьего уровня интерпретируется операционной системой, а другая часть — микропрограммой. Вот почему этот уровень считается гибридным. Мы будем называть этот уровень уровнем операционной системы.
Р
ис. 1. Компьютер с шестью уровнями. Способ поддержки каждого уровня указан под ним. В скобках указывается название поддерживающей программы
Между третьим и четвертым уровнями есть существенная разница. Нижние три уровня конструируются не для того, чтобы с ними работал обычный программист. Они изначально предназначены для работы интерпретаторов и трансляторов, поддерживающих более высокие уровни. Эти трансляторы и интерпретаторы составляются так называемыми системными программистами, которые специализируются на разработке и построении новых виртуальных машин. Уровни с четвертого и выше предназначены для прикладных программистов, решающих конкретные задачи.
Еще одно изменение, появившееся на уровне 4, — способ, которым поддерживаются более высокие уровни. Уровни 2 и 3 обычно интерпретируются, а уровни 4, 5 и выше обычно, хотя и не всегда, поддерживаются транслятором.
Другое различие между уровнями 1,2,3 и уровнями 4,5 и выше — особенность языка. Машинные языки уровней 1,2 и 3 — цифровые. Программы, написанные на этих языках, состоят из длинных рядов цифр, которые удобны для компьютеров, но совершенно неудобны для людей. Начиная с четвертого уровня, языки содержат слова и сокращения, понятные человеку.
Четвертый уровень представляет собой символическую форму одного из языков более низкого уровня. На этом уровне можно писать программы в приемлемой для человека форме. Эти программы сначала транслируются на язык уровня 1, 2 или 3, а затем интерпретируются соответствующей виртуальной или фактически существующей машиной. Программа, которая выполняет трансляцию, называется ассемблером.
Пятый уровень обычно состоит из языков, разработанных для прикладных программистов. Такие языки называются языками высокого уровня. Существуют сотни языков высокого уровня. Наиболее известные среди них — BASIC, С, C++, Java, LISP и Prolog. Программы, написанные на этих языках, обычно транслируются на уровень 3 или 4. Трансляторы, которые обрабатывают эти программы, называются компиляторами. Отметим, что иногда также используется метод интерпретации. Например, программы на языке Java обычно интерпретируются.
В некоторых случаях пятый уровень состоит из интерпретатора для такой сферы приложения, как символическая математика. Он обеспечивает данные и операции для решения задач в этой сфере в терминах, понятных людям, сведущим в символической математике.
Вывод: компьютер проектируется как иерархическая структура уровней, каждый из которых надстраивается над предыдущим. Каждый уровень представляет собой определенную абстракцию с различными объектами и операциями. Рассматривая компьютер подобным образом, мы можем не принимать во внимание ненужные нам детали и свести сложный предмет к более простому для понимания.
Набор типов данных, операций и особенностей каждого уровня называется архитектурой. Архитектура связана с аспектами, которые видны программисту. Например, сведения о том, сколько памяти можно использовать при написании программы, — часть архитектуры. А аспекты разработки (например, какая технология используется при создании памяти) не являются частью архитектуры. Изучение того, как разрабатываются те части компьютерной системы, которые видны программистам, называется изучением компьютерной архитектуры. Термины «компьютерная архитектура» и «компьютерная организация» означают в сущности одно и то же.
Контрольные вопросы
- Когда появились первые механические машины?
- Когда появился первый механический компьютер?
- Когда появились первые электронные компьютеры?
- Первый микропроцессор.
- Первый 32-разрядный процессор.
- Первый процессор Pentium.
- Закон Мура.
- Перечислите основные компоненты ПС.
- Перечислите уровни современных вычислительных машин.
- Опишите цифровой логический уровень.
- Опишите микроархитектурный уровень.
- Опишите уровень архитектуры команд.
- Опишите уровень операционной системы.
- Опишите уровень языка ассемблера.
- Опишите уровень языков высокого уровня.
Лекция 2 Основы компьютерной техники
2.1 Общая характеристика компьютерной техники
2.2 Принцип программного управления
2.3 Основные характеристики компьютеров
2.1 Общая характеристика компьютерной техники
Компьютерная техника — это совокупность средств для автоматизации процессов обработки информации, а также отрасль техники, которая занимается разработкой, изготовлением и эксплуатацией компьютеров.
Комплекс электронного оборудования, которое предназначено для автоматизации процессов обработки дискретной информации и имеет общее управление, называют цифровой электронной вычислительной машиной (ЭВМ). В наше время диапазон использования ЭВМ существенно расширился: называют более 20 тыс. областей их применения — от научно-инженерных задач до искусственного интеллекта, математического моделирования, робототехники. Поэтому вместо термина ЭВМ используют его современный синоним — компьютер.
Основные принципы построения компьютеров изложили в 1946 г. американские математики Дж. фон Нейман, К. Гблдстайн" и А. Беркс. Совокупность этих принципов породила классическую неймановскую архитектуру, которая остается актуальной и сегодня.
В общем неймановская архитектура обладает следующими основными признаками:
- наличие одного вычислителя, имеющего процессор, память, средства ввода-вывода информации, а также средства управления;
- применение двоичной системы счисления, как для представления информации, так и для выполнения арифметико-логических операций;
- размещение в единой общей памяти команд и чисел фиксированной длины;
- линейную структуру адресации ячеек памяти, что требует наличия в процессоре счетчика команд;
- централизованное последовательное автоматическое считывание команд из памяти и интерпретацию их процессором; данные обрабатываются параллельно — одновременно над всеми разрядами машинного слова;
- низкий уровень машинного языка.
Первый компьютер EDSAC с хранимой программой в памяти на 512 ртутных линиях задержки был построен М. Уилксом (Англия) в 1949 г. Машина выполняла 15тыс. сложений и 120 умножений за одну секунду. В 1950 г. под управлением Дж. фон Неймана был создан первый полностью электронный компьютер классической архитектуры EDVAC, который положил начало машинам первого поколения.
В 1948-1950 гг. в Институте электротехники в Киеве была создана малая электронная счетная машина "МЭСМ". Ее разработкой руководил выдающийся ученый и конструктор многих компьютеров академик С. А. Лебедев. В машине "МЭСМ" были использованы (независимо от Неймана) основные принципы классической архитектуры. Компьютер содержал 3500 ламп, 2500 диодов, занимал площадь 60 м2, потреблял мощность 25 кВт и выполнял 50 операций за одну секунду. Компьютер классической архитектуры включает в себя (рис. 1):
Рис. 1 Структура компьютера
- арифметико-логическое устройство (АЛУ);
- оперативную память (ОП);
- средства хранения и ввода-вывода информации: внешние запоминающие устройства (ВЗУ); устройства ввода информации (УВв); устройства вывода информации (УВыв); все эти устройства называют внешними или периферийными (ПУ);
- устройство управление (УУ). Вместе с АЛУ оно образует процессор. При наличии в машине нескольких процессоров
s выделяют центральный (ЦП).
Арифметико-логическое устройство предназначено для выполнения арифметических и логических операций, предусмотренных системой команд данного компьютера. В состав АЛУ входят регистры и комбинационные схемы. Данные для обработки в АЛУ поступают из ОП и называются операндами. Результаты операций пересылается в ОП или временно сохраняются в регистрах АЛУ.
Устройство управления (УУ) считывает и дешифрирует в соответствующей последовательности команды, формирует и подает управляющие сигналы для других устройств компьютера.
Оперативная память предназначена для временного хранения программ и данных, в ней выполняются операции записи и считывания информации. Кроме ОП, используют также постоянную память, в которой выполняются только операции считывания. Оперативную (ОЗУ) и постоянную память (ПЗУ), а также регистры АЛУ называют внутренней памятью (рис. 2). Процессор и ОП вместе образуют ядро компьютера..
Рис. 2 Внутренняя память компьютера
Операции ввода-вывода - это обмен информацией между ядром машины и ПУ. Операция ввода передает информацию из ПУ в ядро компьютера, а операция вывода — наоборот.
Внешняя память предназначена для длительного и энергонезависимого хранения больших объемов информации. Физически ее реализуют в виде накопителей (рис. 3):
- йа гибких магнитных дисках (НГМД);
- на жестких магнитных дисках (НЖМД); они называются винчестерами;
- на оптических (лазерных) дисках (НОД);
- на магнитных лентах (НМЛ).
Накопители на дисках имеют электромеханический привод (дисковод), который обеспечивает вращение диска, блок магнитных головок для считывания или записи, систему установки (позиционирования) магнитной головки в требуемое положение и электронный блок управления.
Рис. 3 Внешняя память компьютера
Все виды внешней памяти обеспечивают обмен информацией с ядром компьютера; однако ВЗУ выделяют в отдельный вид ПУ по следующим признакам:
- внешняя память обеспечивает хранение больших массивов информации и быстродействующий обмен с ядром компьютера (более 30 тыс. байт/с);
- информация в ВЗУ хранится в виде, недоступном для непосредственного восприятия человеком.
Устройства ввода и вывода информации (УВВ) рассматривают как единую функциональную часть компьютера. Различные по своим функциями, принципам построения и характеристикам УВВ и ВЗУ вместе образуют группу очень разнообразных внешних или периферийных устройств.
К устройствам ввода информации относятся (рис. 4):
-
клавиатура, предназначенная для ввода программ и данных и управления работой машины;
Рис.5 Устройства вывода информации
- сканеры, предназначенные для ввода графической информации;
- ручные манипуляторы — мышь, шариковый манипулятор и джойстик — предназначенные для быстрого перемещения курсора в заданную точку экрана дисплея и выполнения других действий;
- устройства речевого ввода, предназначенные для управления машиной с помощью речевых команд;
- устройства ввода с перфолент, перфокарт и др.
плазменные, люминесцентные), предназначенные для отображения ин
формации, которая вводится с клавиатуры (для контроля правильности на
К устройствам вывода информации относят (рис. 5):
*принтеры (матричные, струйные/лазерные);
• дисплеи (на электронно-лучевых трубках (ЭЛТ), на жидких кристаллах, плазменные, люминесцентные), предназначенные для отображения информации, которая вводится с клавиатуры (для контроля правильности набора данных) или из памяти машины; плоттеры (графопостроители), предназначенные для печати чертежей высокого качества;
- синтезаторы звука и языка, предназначенные для преобразования аналоговых сигналов в цифровой код и наоборот;
- устройства вывода информации на перфоленты и перфокарты.язь между функциональными частями машины осуществляют с помощью интерфейса — совокупности шин, сигналов, вспомогательных микросхем и алгоритмов, предназначенных для обмена информацией между устройствами компьютера-
Выделяют три шины (рис. 6):
- адреса (ША), предназначенная для передачи адреса ячеек ОП и регистров ПУ;
- данных (ШД), предназначенная для передачи данных;
- управления (ШУ), предназначенная для передачи управляющих сигналов от процессора к устройствам и наоборот.
Рис. 6 Структура процессора
2.2 Принцип программного управления
В компьютере реализуют принцип программного управления, суть которого следующая. Для решения каждой задачи разрабатывают алгоритм на основе числовых методов вычислений. Алгоритм переводится на язык, свойственный данной машине, в виде программы — языковой конструкции, которая является упорядоченной последовательностью описаний и команд, предназначенных для обработки информации. Каждая команда определяет действия компьютера в отношении выполнения любой операции, реализующей аппаратные (технические) и программные средства. Программа записывается в ОП в виде машинных слов, которые кодируются цифрами 0 и 1 и различаются только способом применения. Код операции поступает в регистр команд IR (instruction register) и затем дешифрируется, а данные — в регистры АЛУ (см. рис. 6.6).
Команды программы размещены в ОП линейна (одна за другой) и выполняются последовательно. Номер команды в ОП определяется программным счетчиком PC (program counter). Управляющий автомат (УА) вырабатывает множество управляющих сигналов, которые подаются на все устройства машины. Регистр команд, программный счетчик и управляющий автомат входят в состав УУ. Последовательное управление обусловлено наличием одного процессора. Команды условного и безусловного ветвления изменяют линейный порядок считывания и выполнения команд.
Множество всех операций, реализуемых в компьютере, составляет его операционные ресурсы. Компьютеры, операционные ресурсы которых обеспечивают выполнение любого алгоритма обработки информации, называют универсальными. Для этого теоретически достаточно иметь в операционных ресурсах только четыре операции: пересылку слова между любыми ячейками ОП, прибавление единицы к слову (вычитание единицы из слова), условный переход по совпадению слов и безусловную остановку компьютера.
В общем, в компьютерах используют список команд, который обеспечивает
выполнение следующих групп операций:
- пересылки данных между регистрами АЛУ, регистрами и ОП;
- арифметических операций над двоичными числами с фиксированной и плавающей запятой: сложение, вычитание, знаковое и беззнаковое умножение и деление;
I • логических операций отрицания, дизъюнкции/конъюнкции, сложения по модулю два;
- установления соотношений — больше, меньше, неравно, больше-равно и др.;
- сдвига влево или вправо — арифметического, логического, циклического;
- управления программой: условными и безусловными переходами и вызовами процедур, безусловными и условными возвратами из процедур, прерыванием программ; некоторые компьютеры имеют специальные команды для организации циклов;
- ввода-вывода данных между ядром машины и ПУ;
- специальных операций для машин с сопроцессорами (математическими расширителями): вычислений квадратного корня, синуса, косинуса, логарифмические и др.;
- преобразования из одного формата в другой (например, из восьмибитного в 16-битный);
- системных операций — загрузки служебных регистров, защиты памяти;
- мультимедийных операций для выполнение действий со звуком, графикой, изображением.
С ростом производительности процессора увеличивается и количество команд. Компьютеры, в зависимости от их сложности и назначения, работают в следующих режимах (рис. 7):
Рис. 7 Режимы работы компьютеров
- однопрограммном — каждая программа отдельно загружается в ОП и выполняется до получения результата;
- многопрограммном — в память загружается несколько программ; когда выполнение одной из программ останавливается из-за необходимости обратиться к ПУ, то машина переключается на выполнение другой программы;
- пакетном — в ВЗУ формируется пакет задач, которые затем считываются в ОП группами и выполняются в многопрограммном режиме;
- распределения времени (коллективного пользования) -г- доступ к компьютеру пользователей с помощью собственного терминала;
- реального времени — обеспечивается взаимодействие компьютера с внешними объектами в темпе, который требует быстродействие объекта.
2.3 Основные характеристики компьютеров
Важной характеристикой компьютера является производительность — объективная количественная мера работы машины. Используют .следующие меры производительности: пиковую, номинальную, системную и эксплуатационную (рис. 8).
Пиковая производительность — среднее число коротких операций типа "регистр-регистр" в секунду (оп./с) без операций обмена с ОП. За границей пиковую производительность оценивают для команд типа "Нет операции" в миллионах операций в секунду (млн. оп./с) или в MIPS (Million Instruction per Second). Пиковую мощность часто называют быстродействием компьютера.
Номинальная производительность — среднее число смеси команд с учетом их статистического веса (частоты повторения), которые выполняет ядро компьютера в выбранном классе задач (зависит от скорости ОП):
Рис. 8 Основные характеристики компьютеров
Номинальную производительность часто называют "быстродействием компьютера на смеси команд". Производительность мощных машин часто измеряют в мегафлопсах (MFLOPS) — в миллионах операций в секунду над операндами с плавающей запятой.
Системную производительность измеряют с помощью типовых оценочных программ (бенчмарков), реализованных на языках высокого уровня. Результаты оценки системной производительности компьютера конкретной архитектуры представлены в числовых таблицах.
Эксплуатационную производительность оценивают данными о реальной рабочей нагрузке в основных областях применения; при этом учитывают необходимую площадь размещения машины, механические и климатические условия эксплуатации, потребляемую мощность и т. д.
К характеристикам компьютеров также относят:
- разрядность машинного слова, которое хранится, пересылается и обрабатывается как единое целое; измеряется в битах, байтах;
- объем оперативной памяти в битах, байтах/килобайтах, мегабайтах/гигабайтах;
- надежность, которая характеризует среднюю наработку на отказ — не менее 15 тыс. час; время восстановления работоспособности, срок службы (не менее 10 лет).