АРХІТЕКТУРА ТА ПРОГРАМНЕ ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ КОМП’ЮТЕРА 1
Програмування як наукова дисципліна і професійна діяльність 1
Архітектурні особливості комп'ютерів 2
Класична структура комп’ютера 2
Поняття архітектури комп’ютера 5
Технологія виконання команд мікропроцесором 8
Арифметичні основи комп’ютера 11
Загальні відомості про системи числення 11
Системи числення, застосовувані в комп’ютерах 12
Переведення чисел із однієї позиційної системи числення в іншу 12
Подання даних в комп’ютері 14
Структура внутрішньої пам’яті комп’ютера 14
Подання числових даних 14
Кодування чисел 17
Двійкова арифметика в комп'ютерах 19
Кодування текстових даних 21
Кодування графічних даних 22
Кодування звукової інформації 24
Види програмного забезпечення комп'ютерів 24
Класифікація програмного забезпечення 24
Основи роботи операційних систем 26
Архітектура та програмне забезпечення комп’ютера Програмування як наукова дисципліна і професійна діяльність
З давніх давенлюдині доводиться створювати описи послідовностей дій, необхідних для досягнення певної поставленої мети. Такі описи можуть бути розраховані на їх виконання людьми або автоматичними пристроями. Тексти, написані для людей, як правило, мають певну ступінь невизначеності і неформальності. Прикладом може служити фраза з кулінарного рецепта про щіпку солі. Тільки дуже досвідчена людина в змозі правильно посолити блюдо відповідно до подібної рекомендації.
Цей факт цілком пояснює, чому опис послідовності дій, призначений для автоматичного пристрою, повинен бути абсолютно однозначним і заданим за допомогою деякої формальної системи позначень.
Часто створення таких описів пов'язане зі значними технічними труднощами.
Опис послідовності дій, достатньо визначений для того, щоб їх можна було виконати за допомогою деякого автоматичного пристрою називають алгоритмом(algorithm). Зазвичай цю послідовність записують (закодовують) за допомогою деяких формальних позначень. При цьому формальна система, призначена для запису алгоритмів, називаєтьсяалгоритмічним мовою, сам текст алгоритму -програмою, а процес його створення -програмуванням.
Наука програмування(computer science) займається дослідженням властивостей алгоритмів і розробкою методів побудови програм.
Програмування поєднує в собі елементи інженерії, фундаментальних наук (перш за все математики) і мистецтва.
У вузькому сенсі під програмуванням(кодуванням) розуміють написання програм (інструкцій) на конкретній мові програмування. Відповідно, люди, які цим займаються, називаютьсяпрограмістами.
У більш широкому сенсі під програмуваннямрозуміють весь спектр діяльності, пов'язаний із створенням і підтримкою в робочому стані програмного забезпечення ЕОМ.
Предмет програмування становлять
ідеї, що лежать в основі мистецтва конструювання програм,
методи, способи і прийоми конструювання, загальні для всіх предметних областей і не залежні від конкретних програмних застосувань.
Метоюдисципліни ОП є вивчення теоретичних основ алгоритмізації і процедурного програмування на алгоритмічних мовах високого рівня та використання отриманих навичок при розв'язанні інженерних задач.
Основнимизавданнямиданої дисципліни є:
формування базових знань з алгоритмізації та програмування;
вивчення сучасних концепцій побудови алгоритмічних мов високого рівня;
вивчення загальних принципів побудови програм як конкретних формулювань абстрактних специфікацій в межах інструментарію мов програмування високого рівня, що підтримують процедурну парадигму програмування;
опанування практичними прийомами процедурного програмування на мовах програмування високого рівня.
Архітектурні особливості комп'ютерів Класична структура комп’ютера
Одним із основних засобів створення і обробки програм є електронна обчислювальна машина (ЕОМ) або комп'ютер. Комп'ютер - це універсальний пристрій для обробки дискретних (відокремлених) даних. Комп'ютер виконує операції введення інформації, зберігання та оброблення її за певною програмою, виведення одержаних результатів у формі, придатній для сприйняття людиною.
За кожну з названих операцій відповідають спеціальні блоки комп'ютера: пристрій введення, запам'ятовуючий пристрій, процесор, пристрій виведення.
Базові принципи побудови і функціонування цифрового комп'ютера сформульовані американським вченим Джоном фон Нейманом (1945-46 рр.). Типова фоннейманівська ЕОМ (комп'ютер) має такі функціональні складові (рис. 1):
центральний процесор (CPU-Central Processing Unit, мікропроцесор),який служить для виконання всіх обчислень і забезпечення загального керування роботою комп'ютера;
запам'ятовуючий пристрій(пам’ять), що служить для зберіганняінформації (програм і даних).
пристрої введення-виведення, щозабезпечують взаємодію комп'ютераз навколишнім середовищем (користувачами, об'єктами керування та іншими комп'ютерами).
Рис. 1. Типова структура комп'ютера
Всі ці блоки складаються з окремих дрібніших пристроїв. Зокрема центральний процесор включає:
Арифметико-логічний пристрій(АЛП), що служить для виконанняфункцій обробки інформації (виконання арифметичних та логічних операцій над даними, перетворення кодів, тощо).
АЛП виконує заздалегідь задану множину інструкцій (систему команд) і настроюється на виконання конкретної інструкції керуючими сигналами, які надходять з комп'ютера.
Керуючий пристрій(КП), який координує роботу вcix пристроїв комп'ютерата організовує процес виконання програм.
Керуючий пристрій
здійснює вибірку команд із пам'яті та їх розшифровування,
формує необхідні керуючі сигнали для виконаннярізних операцій (в тому числі і арифметичних),
забезпечує читання і запис інформації (команд і даних) в комірки пам'яті із заданою адресою,
реагує на аварійні ситуації,
виконує загальні функції управління всіма вузлами комп'ютера (формує необхідні керуючі сигнали).
До нього може входити також внутрішній запам'ятовуючий пристрій у вигляді регістрів процесора та внутрішньої кеш-пам'яті. Пристрій введення, як правило, теж не є однією конструктивною одиницею. Оскільки види інформації, що вводиться, різноманітні, джерел введення може бути декілька. Це стосується і пристроїв виведення.
Сукупність функціональних блоків (пристроїв) і зв’язків між ними називають функціональною структурою комп'ютера. Більш детально функціональну структуру сучасних комп'ютерів можна представити наступним чином (рис. 2):
Рис.2. Функціональна структура ПК
Як видно, пам'ять комп'ютераподіляється на
внутрішню - пам'ять, до якої мікропроцесормає безпосередній доступ (напряму зв’язана з процесором);
зовнішню (зовнішні запам’ятовуючі пристрої - ЗЗП) - носії інформації, призначені для довготривалого зберігання великих об’ємів інформації.
Внутрішня пам’ять включає:
Постійну пам'ять (ROM - Read Only Memory). Це запрограмована виробником системна інформація, яка доступна тільки для читання (програми тестування іобслуговуваннякомп'ютера,BIOSі т.ін). Реалізована у вигляді постійного запам’ятовуючого пристрою (ПЗП), об’єм якого – кілька десятків Кб. При вимкненні живлення інформація ПЗП зберігається. Програми, які зберігаються вROM-пам'яті, запускаються автоматично при включенні живлення.
Оперативну пам'ять (ОП,RAM - Ramdom Access Memory). Служить для тимчасового зберіганняпрограм і даних при їх обробці. При вимиканні живлення вміст ОП знищується.
Регістри мікропроцесора. Це найбільш швидкодійний, але найменший за обсягом різновид пам'яті комп'ютера(110 байт). Регістри мікропроцесора служать для зберігання команд, даних, адрес в процесі виконання команди програми.
Кеш–пам’ять мікропроцесора.Служитьдля зберігання команд, що використовуються найчастіше. При пошуку даних мікропроцесорспочатку звертається до кеш-пам’яті, і тільки, якщо там немає потрібних даних, здійснюється звертання до ОП.
Слід зазначити, що мікропроцесорможе обробляти тільки ті дані, які знаходяться в його внутрішній пам’яті.
До зовнішніх запам'ятовуючих пристроїв відносять різноманітні диски (гнучкі, жорсткі, оптичні і т.ін.), флешки, тощо.Інфopмaцiя, яка зберігається у зовнішній пам’яті, стає доступною для мікропроцесора тільки після того, як буде переписана в ОП.
Кожен зовнішній пристрій характеризується своєю пропускною здатністю і структурою даних, що передаються або приймаються. Функціїї узгодження роботи мікропроцесораі зовнішнього пристрою на апаратному рівні виконуютьконтролери.Контролери(адаптери) – це процесори (простіші за центральний процесор), що забезпечують управління зовнішніми пристроями комп'ютера і передачу інформації у відповідності з їх вимогами. Кожен зовнішній пристрій має свій контролер за допомогою якого виконується підключення цього пристрою до комп'ютера.
Взаємодія зовнішніх пристроїв з мікропроцесоромздійснюється черезпортивведення-виведення: із них пристрої беруть дані і саме в порти записуються дані, що надходять в комп'ютер з таких пристроїв. З фізичної точки зору,порти введення-виведення- це спеціальні схемні елементи (комірки пам'яті), призначені для тимчасового розміщення даних, що вводяться в комп'ютер або виводяться з нього.
Засобом передачі сигналів у комп'ютері (мікропроцесор– ОП, мікропроцесор– порти, ОП - порти) єшини- групи електричних з’єднань (проводів). Функціонально вони поділяються на шину даних,адресну шину,командну шину(шину керування). Зазначені шини у сукупності складають так званусистемну шину.
Типовий комп'ютер побудований по магістрально-модульному принципу, що передбачає можливість підключення до системної шини (магістралі) за допомогою контролерів різних пристроїв (модулів) і отримання, тим самим, різноманітних конфігурацій (складу обладнання) комп'ютера.
Саме принцип відкритої архітектури, суть якого полягає у тому, що комп'ютер не є єдиним нероз'ємним пристроєм, а має блочно-модульну конструкцію і складається з окремих, конструктивно не зв'язаних між собою пристроїв, що виробляються незалежно один від одного, і забезпечив небувалу популярність комп'ютерів.