Міністерство освіти і науки україни

НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ “ЛЬВІВСЬКА ПОЛІТЕХНІКА”

Лабораторний практикум

з дисципліни

"Організація та функціонування комп'ютерів"

Навчальний посібник

для студентів напрямку 6.0915 “Комп’ютерна інженерія”

Затверджено

На засіданні кафедри ЕОМ

Протокол № від 2007 р.

Львів - 2007

Лабораторний практикум з дисципліни "Організація та функціонування комп'ютерів"/ Навчальний посібник для студентів напрямку 6.0915 ″Комп’ютерна інженерія″ / Укл. Р.Б. Дунець, О.Т. Кудрявцев. – Львів: Видавництво Національного університету ″Львівська політехніка″, 2007. - с.

Укладачі Дунець Р. Б., д.т.н., проф.

Кудрявцев О. Т., ст. викладач

Рецензент . . . .

Відповідальний за випуск Мельник А.О., д.т.н., проф.

Лабораторний практикум орієнтований на студентів першого курсу напрямку 6.0915 ″Комп’ютерна інженерія″, які почали вивчати курс ″Організація та функціонування комп’ютерів″ і повинні засвоїти основи побудови процесорів, організацію взаємодії основних пристроїв комп’ютерів, початки програмування на низькому рівні, а також засвоїти практичні навички з арифметики двійкових чисел у форматах, що застосовуються у комп'ютерах. Для цього студенти повинні володіти початковими знаннями з математики і інформатики.

Як комп’ютери, так і комп’ютерні системи складаються, як відомо, з апаратних засобів (hardware – “тверда” складова) та програмного забезпечення (software - “м’ягка” складова), що взаємодіють і забезпечують виконання програм. Конкретні реалізації комп’ютерів і систем з часом змінюються, але ідеї, що лежать у їх основі, залишаються незмінними. Усі апаратні і програмні компоненти, з яких складаються обчислювальні системи і які виконують одні й ті ж самі функції, подібні одна на одну.

Сучасні комп’ютери та операційні системи – не дуже сприятливе середовище для початкового етапу вивчення організації ЕОМ. Одним з можливих рішень цієї проблеми може бути створення програмних моделей навчальних комп’ютерів, які, з одного боку, достатньо прості, щоби той, хто навчається міг засвоїти базові поняття архітектури (система команд, командний цикл, адресація, способи взаємодії процесора з пам’яттю та зовнішніми пристроями), з іншого боку – архітектурні особливості моделі повинні відповідати тенденціям сучасних ЕОМ.

Лабораторний практикум базується на програмній моделі DeComp, розробленій на кафедрі ЕОМ. Ця програмна модель дозволяє реалізувати доступ до різних елементів комп’ютера, що забезпечує зручність і наочність для студентів. З іншого боку, модель дозволяє ігнорувати ті особливості роботи реального комп’ютера, які на даному рівні розгляду не є суттєвими.

І. Теоретичні відомості

1.1. Коротка історія розвитку комп’ютерної техніки

Вже на початку своєї історії людство зустрілося з потребою виконання певних обчислень (наприклад, у торгових і мінових операціях) і зробило перші спроби полегшити цей процес. Спочатку виконувався рахунок “на пальцях”, а потім їм на заміну прийшли патички, камінці, мушлі або кісточки на шнурочку (які називалися “калькулі” – це прототип відомої нам рахівниці). З часом, з метою можливості запам’ятовування та опрацювання чисел, були створені способи рахування на бирках, зарубках, вузлах та ін.

Широке застосування у стародавніх народів отримали спеціальні рахункові пристрої:

• абак, винайдений у Вавілоні біля 3000 тис. років до н. е., широко застосовувався у країнах навколо Середземного моря. Мав вигляд дошки, яку посипали піском і робили у ньому лунки для різних розрядів чисел, а потім камінцями у лунках формували числа. Для виготовлення застосовувалися висушена глина (Месопотамія), дерево (дошка з острова Саламин, що поблизу Афин), мармур (у Римі).

• серобан у Японії,

• суан-пан застосовувався у Китаї приблизно за 500 років до н. е.

У перелічених пристроях камінці, зернятка або кісточки, що розміщені на визначених місцях (колонках або рядках), мають різне числове значення, тобто у них використовувалася позиційна система числення.

Починаючи з XVII сторіччя, коли закладалися наукові основи сучасних наук – фізики і хімії, математики і астрономії, з'являються лічильні пристрої, основою яких є механізм, побудований на зубчастих колесах і ступінчастих валиках. Такі пристрої, що називалися “арифмометр” випускалися серійно з кінця XIX і до середини XX сторіччя.

У 1832 році англійський математик, профессор Кембріджського університету Чарльз Беббідж (Charles Babbage, 1792 – 1871), винахідник спідометра, розробив і сконструював різницеву машину. Ця механічна машина могла тільки додавати і віднімати, оперувала шестирозрядними числами і різницями другого порядку. ЇЇ використовували для обчислення таблиць чисел для морської навігації. У машину був закладений тільки один алгоритм – метод кінцевих різниць з використанням поліномів.

У 1836 році Беббідж розробляє проект „аналітичної машини”. У проекті машини пропонувалися такі пристрої:

- три зчитувача з перфокарт для введення програм і даних (пристрій введення даних);

- пристрій збереження інформації – пам’ять (за Беббіджем – „комора”) на п’ятдесят 40-розрядних чисел;

- два акумулятори для збереження проміжних результатів;

- пристрій для виконання операцій над числами, які беруться із „комори”, що називався „млин” або „фабрика”, цей пристрій тепер прийнято називати „центральним процесором”;

- для керування послідовністю операцій і їх виконанням слугував пристрій керування, який використовував перфокарти;

- пристрій виведення результатів шляхом видавлювання їх стальним штампом на мідній пластині. Звідси починають свій шлях різноманітні друкуючі пристрої.

Перевагою аналітичної машини було те, що вона могла обчислювати різні задачі. У проект закладено також і елементи програмування - зміст інструкцій передбачалося задавати шляхом позиціонування металевих штирів у циліндрі з отворами. У програмуванні машини передбачена концепція умовного переходу. За оцінками автора, сумування повинно було займати 3 сек., а множення і ділення – 2-4 хвилини.

Ідеї проекту вважаються найважливішим моментом „механічної” епохи. Вони випередили епоху Беббіджа майже на сто років. Очевидно, що в умовах XIX сторіччя, неможливо було виготовити тисячі шестерен з необхідною точністю та за відносно короткий проміжок часу відлагодити весь механізм. Але навіть і сьогодні більшість сучасних комп’ютерів за будовою подібні до аналітичної машини. Саме тому відлік історії комп’ютерів починають з проекту Беббіджа.

Наприкінці XIX сторіччя у зв'язку з розвитком науки та техніки потреба у лічильних машинах настільки виросла, що її перестали задовільняти не лише арифмометри, але й інші механічні лічильні пристрої. Оскільки до того часу достатньо добрий розвиток отримала теорія електрики, перспективним напрямком розвитку лічильних (обчислювальних) машин стало використання у них електричних, електромеханічних, а пізнішеше й електронних компонентів.

Розвиток науки і техніки, промисловості і суспільства висунуло проблему створення класу машин, які повинні допомогти людині орієнтуватися у потоці сигналів і відомостей, тобто у потоці інформації. Сьогодні ми розуміємо, що вміння людини накопичувати, зберігати, перетворювати і передавати інформацію є запорукою його успішної еволюції. Машини нового типу, призначені для здійснення процесів обробки, збереження і перетворення інформації – це комп’ютери, які ще називають інформаційними машинами.

В основу роботи комп’ютерів покладені певні закономірності та особливості, які є предметом вивчення курсу “Організація та функціонування комп’ютерів”.