II. Технические средства реализации информационных процессов. Устройство компьютера.
2.1. Логические схемы элементов решающих устройств.
Принципы математической логики используются при конструировании компьютеров для совершения операций над двоичными числами. Рассмотрим, например, сложение двух двоичных однозначных чисел. Результат будем записывать в виде двузначного двоичного числа:
0 0 1 1
+ + + +
0 1 0 1
----- ----- ----- -----
00 01 01 10
Можно заметить, что младший (правый) разряд двоичного результата формируется по правилу строгой дизъюнкции младших разрядов слагаемых, а старший – по правилу конъюнкции этих же разрядов. Это позволяет производить в компьютере арифметические действия, используя логические решающие устройства.
Для создания отдельных элементов решающих устройств достаточно использовать небольшое число элементарных логических блоков. Они изображаются графическими символами:
а) инвертор или элемент отрицания (НЕ)
б) элемент конъюнкции (И)
в) элемент дизъюнкции
Вместо знака "v" иногда рисуют просто единицу!
Если в точке выхода результата нарисован кружок, это означает дополнительную операцию отрицания результата. Например, символ
означает И-НЕ, а инвертор может изображаться так:
Комбинации этих элементов образуют схемы сложных логических функций (выражений).
2.2. Принципы устройства К.
Общий набор основных принципов устройства К называется архитектурой К. Архитектура современных К базируется на принципах фон Неймана (1945 г.):
Принцип двоичного кодирования. Данные и команды (программа) кодируются однотипным двоичным кодом.
Принцип однородности памяти. Данные и программа хранятся в одной и той же памяти. Значит, с командами можно обращаться, как с данными, т.е., преобразовывать, пересылать из ячейки в ячейку и др.
Принцип адресности памяти. Память состоит из ячеек, имеющих адреса. По адресу К имеет независимый доступ к любой ячейке.
Принцип последовательного программного управления. Программа состоит из набора команд, которые выполняются друг за другом.
Принцип условного перехода. Возможно присутствие в программе команд условного перехода, которые изменяют последовательность выполнения команд в зависимости от значений данных. (Сам принцип был сформулирован задолго до фон Неймана – в XIX в – Адой Лавлейс и Чарльзом Бэббиджем, однако он логически включен в фон-неймановский набор как дополняющий предыдущий принцип.)
Основные архитектуры К:
Архитектура фон Неймана, или "принстонская": имеется одно арифметико-логическое устройство (АЛУ), через которое идет поток данных; и одно устройство управления (УУ), через которое идет поток команд. Также имеется оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) для хранения данных в процессе обработки, и устройства ввода-вывода. К этому типу относятся однопроцессорные К с общей шиной. Все блоки связаны общей шиной (системной магистралью) – набором параллельных проводов, по которым идут сигналы. Каждый сигнал определяет один бит. Число параллельных проводов – разрядность шины. Вся магистраль делится на 3 части – шины адреса, данных, управления.
Гарвардская архитектура не использует второй принцип фон Неймана и предусматривает раздельное хранение и передачу данных и команд. Поскольку данные и команды можно передавать параллельно и независимо, повышается быстродействие компьютера. Но реализация гарвардской архитектуры обходится дороже (например, процессор должен иметь вдвое больше выводов).
Существуют и другие архитектуры К, например, многопроцессорные.
Еще одна классификация архитектур предложена М.Флинном. Она выделяет 4 вида архитектур по числу передаваемых потоков команд (исходящих от отдельных процессоров) и данных. В обозначениях комбинируются 4 буквы: S (Single –одиночный), М (Multiple –множественный), I (Instruction – инструкция, команда) и D (Data –данные). В такой классификации архитектуры фон Неймана и гарвардская относится к типу SISD, многопроцессорная – MISD.
Архитектура ПК является открытой: компьютер собирается из отдельных блоков. которые могут заменяться (часто независимо друг от друга), что обеспечивает возможность постепенного совершенствования К и наращивания его характеристик ("апгрейда").
2.3. Основные элементы персонального компьютера (ПК):
Материнская плата. На ней помещаются основные устройства К:
а) процессор;
б) разъемы для подключения внешних устройств;
в) микросхемы памяти;
г) разъемы для подключения плат расширения. Ими могут быть контроллеры – платы для согласования внешних устройств с данным компьютером, сетевая карта для соединения компьютеров в сеть и др.
д) шины – наборы проводников для передачи сигналов и питания между устройствами. Классификация шин:
-
Общая шина
Шина питания
Системная шина
Шина команд
Шина адреса
Шина данных
Блок питания.
Внешние устройства (по отношению к основным, т.е., к материнской плате). Прежде всего, это внешние устройства памяти.
Эти части К чаще всего монтируются в едином системном блоке.
Устройства, вынесенные за пределы системного блока, называются периферийными – некоторые устройства хранения И, ввода-вывода, мультимедийные, интерфейсные (мышь, …) и другие.
Базовая конфигурация К: системный блок, монитор, клавиатура (т.е., по одному устройству ввода и вывода, плюс системный блок)
Компьютерную память делят на:
1. Энергонезависимую – данные не стираются при отключении питания.
2. Энергозависимую – данные стираются при отключении питания:
а) статическую – данные хранятся без изменения, пока подано питание и их не надо подновлять. Реализуется на триггерах, переключается быстро, но дороже и занимает больше места. Используется в кэшах и микропроцессорной памяти.
б) динамическую – И со временем разрушается и ее надо восстанавливать. Реализуется на конденсаторах (которые постепенно разряжаются и надо подзаряжать). Переключается медленнее, но стоит дешевле и занимает меньше места. Используется в ОЗУ компьютеров.
Запоминающие устройства (ЗУ) К:
Постоянное ЗУ, ПЗУ (энергонезависимое): хранит неизменяемую И, необходимую при запуске К (BIOS - "базовая система ввода-вывода"). Эта система обеспечивает опрос устройств памяти для поиска и запуска операционной системы.
CMOS – энергонезависимая память на отдельной батарейке. Хранит данные о конфигурации компьютера, обеспечивает ход системных часов и др.
Оперативное ЗУ – быстродействующая память на микросхемах для хранения и обработки И во время работы К.
Кэш-память процессора (прямо в самом процессоре) – еще более быстрое ЗУ ограниченной емкости для обмена и временного хранения наиболее часто используемой И во время работы. Наличие кэша повышает быстродействие К.
Внешние ЗУ:
а) гибкие магнитные диски (дискеты, или "флоппи-диски", они уже устарели).
б) жесткие магнитные диски ("винчестеры");
в) оптические диски (CD-ROM, -R (болванки для однократной записи), -RW (для многократной перезаписи); DVD, -R, -RW)
г) магнитооптические диски; это дорогие устройства…
д) стримеры – устройства резервного хранения И на магнитной ленте. Имеют большую емкость (несколько сотен Гб и даже несколько Тб), но малую скорость и надежность.
е) "Flash"-устройства на перепрограммируемых микросхемах.
Устройства ввода И:
а) Базовое – клавиатура;
б) манипуляторы: мышь, трекбол (шарик, вращаемый рукой), джойстик, Touch Pad ("тачпад" – сенсорная панель, реагирующая на движение по ней пальца) и др. Также существуют сенсорные мониторы, по которым можно прямо водить пальцем (вместо применения мыши).
в) сканеры для ввода растровой графической И;
г) дигитайзеры – графические планшеты. Можно рисовать на них специальным пером;
д) в качестве устройства ввода графической И можно использовать также цифровой фотоаппарат, а для аудиоИ – микрофон.
Устройства вывода И:
а) Базовое – монитор, т.е., экран типа телевизора, на ЭЛТ или ЖК-панели;
б) принтер для печати;
в) плоттер, или графопостроитель (система рисования на большом формате, по сути – крупноформатный принтер);
г) динамик для вывода аудиоинформации.
д) проектор для вывода И вместо монитора на большой экран.
2.4. История развития компьютерной техники.
1833 – проект аналитической машины Ч.Бэббиджа (первый проект автоматической вычислительной машины). Идеи программирования для нее разрабатывала Ада Лавлейс;
1890 – Герман Холлерит изобрел электромеханический табулятор для обработки информации, закодированной на перфокартах. Выполнял только арифметические (но не логические) операции. В 1896 г. Холлерит создал компанию ТМС, из которой, после нескольких слияний и переименований, в 1924 г. возникла компания IBM (International Business Machine).
1941 – первый электромеханический (на реле) компьютер Конрада Цузе (Германия);
1946 – ЭНИАК (первая ЭВМ, которую можно было перепрограммировать на разные задачи)
1949-51 – МЭСМ (малая электронно-счетная машина) – первая в СССР (лаборатория С.Лебедева в Киеве);
1954-57 – язык Фортран (FORmula TRANslator; руководитель создания – Джон Бэкус)
1959 – язык Кобол – первый язык для разработки бизнес-приложений; используется до сих пор.
1958-60 – язык Алгол-60 (ALGOrithmic Language; Дж. Бэкус, Петер Наур, Эдсгер Дейкстра, Никлаус Вирт и др.)
1966 – БЭСМ-6 (лучшая отечественная ЭВМ 2 поколения)
1968 – идея создания ноутбука (Алан Кэй)
1970 – язык Паскаль (Никлаус Вирт)
1969-73 – язык С ("Си") (Деннис Ричи, Кен Томпсон)
1975 – основана компания Microsoft (Билл Гейтс, Пол Аллен)
1976 – основана компания Apple (Стив Джобс, Стив Возняк)
1981 – первый коммерчески реализованный ноутбук (Адам Осборн)
1983 – язык С++ (Бьерн Страуструп)
Поколения ЭВМ:
1 – на электронных лапмпах
2 – на транзисторах
3 – на интегральных схемах
4 – на микропроцессорах
5 – не определено; предполагалось, что это будут многопроцессорные машины для параллельных вычислений, обладающие признаками искусственного интеллекта