Основополагающие принципы устройства ЭВМ

1.

МК
ОСНОВОПОЛАГАЮЩИЕ
ПРИНЦИПЫ
УСТРОЙСТВА ЭВМ
КОМПЬЮТЕР И ЕГО ПРОГРАММНОЕ
ОБЕСПЕЧЕНИЕ

2.

МК
Ключевые слова
принципы компьютерных наук
адресность памяти
программное управление
архитектура компьютера
магистраль
шина
контроллер

3.

МК
Принципы Неймана-Лебедева
Фундаментальные идеи (принципы)
компьютерных наук независимо
друг от друга сформулировали
Джон фон Нейман и Сергей
Алексеевич Лебедев.
!
Принцип – основное,
исходное
положение
какой-нибудь теории,
учения, науки и пр.

4.

МК
Основоположники ЭВМ
Джон фон Нейман (1903-1957) –
американский
учёный,
сделавший
важный вклад в развитие математики и
физики. В 1946 г., анализируя сильные и
слабые стороны ЭНИАКа, совместно с
коллегами пришёл к идее нового типа
организации ЭВМ.
Сергей Алексеевич Лебедев (19021974) – главный конструктор первой
отечественной вычислительной машины
МЭСМ, автор проектов компьютеров
серии БЭСМ (Большая Электронная
Счётная Машина), и принципиальных
положений компьютера «Эльбрус».

5.

МК
Принципы Неймана-Лебедева
Сформулированные в середине прошлого века, базовые
принципы построения ЭВМ не утратили свою актуальность
и в наши дни.
1
состав основных компонентов вычислительной машины
принцип двоичного кодирования
2
5
6
3
принцип однородности памяти
4
принцип адресности памяти
принцип иерархической организации памяти
принцип программного управления

6.

МК
1. Состав основных компонентов вычислительной
машины
(Функциональная схема)
!
Устройство, способное производить автоматические
вычисления, должно иметь набор компонентов: блок
обработки данных, блок управления, блок памяти, блоки
ввода/вывода информации.
Устройство
вывода
1100101
11001
Память
110010111011000
ОЗУ, ПЗУ
110010111011000
Арифметико-логическое устройство –
выполняет обработку данных.
Устройство управления – обеспечивает
выполнение программы и организует
согласованное взаимодействие всех
узлов компьютера
110010111011000
Процессор
110010111011000
110010111011000
110010111011000
Внешняя
АЛУ, УУ
110010111011000
110010111011000
память
1100101
110001
Устройство
ввода
Информационные потоки
Управление процессами

7.

МК
Состав компонентов
Процессор – центральное устройство компьютера. Занимается
обработкой данных, Управляет всеми процессами и пропускает
через себя все информационные потоки.
Составные блоки процессора:
• арифметико-логическое
устройство
(АЛУ)
выполняет
обработку данных
• устройство управления (УУ) обеспечивает выполнение
программы и организует согласованное взаимодействие всех
узлов компьютера

8.

МК
Состав компонентов
ОЗУ
Память
хранение исходных данных, промежуточных
величин и результатов обработки информации,
программы обработки информации
Внутренняя
ОЗУ(RAM)
временное
хранение программ
и данных в
процессе
обработки
ПЗУ(RОM)
программа
начальной
загрузки
компьютера
ПЗУ
?
Внешняя
предназначена для
длительного хранения
программ и данных
в периоды между
сеансами обработки
Кроме представленного деления памяти, различают
энергозависимую память и энергонезависимую. Какая
часть памяти является энергозависимой?

9.

9
МК
Устройство компьютера
Внутренняя память
при
отключении
питания
можно ли
изменять
информацию?
скорость передачи
данных
К. Поляков, 2007-2011
Оперативная
память
Постоянная
память
информация
сбрасывается
информация
сохраняется
чтение и запись
(RAM)
только чтение
(ROM)
высокая
низкая
http://kpolyakov.narod.ru

10.

МК
Указательные (координатные)
Мышь, джойстик, графический
планшет, сенсорный
ВВОД экран
Ввод графической информации
ИНФОРМАЦИИ
Сканер, фотоаппарат,
видеокамера
В
Ввод звуковой информации
Микрофон,КОМПЬЮТЕР
диктофон
Игровые устройства
Джойстик, руль, световой
пистолет
Алгоритмы обработки информации
Состав компонентов
П
Р
О
Ц
Е
С
С
О
Р

11.

МК
П
Р
О
Ц
Е
С
С
О
Р
Алгоритмы обработки информации
Состав компонентов
Устройства ввода/вывода
Дисковод, сетевая плата,
ВЫВОД
интерактивная
доска
Вывод графической информации
ИНФОРМАЦИИ
Принтер, графопостроитель,
монитор, проектор
ИЗ
Вывод звуковой информации
КОМПЬЮТЕРА
Колонки, наушники,
встроенный
динамик
Игровые устройства
Игровой контроллер

12.

МК
2. Принцип двоичного кодирования
!
Вся информация, предназначенная для обработки на
компьютере (числа, тексты, звуки, графика, видео), а
также программы её обработки, представляются в виде
двоичного кода.
Выбор двоичной системы счисления обусловлен:
• простотой выполнения арифметических операций
двоичной системе счисления
• «согласованностью» с булевой логикой
• простотой технической реализации
в

13.

МК
3. Принцип однородности памяти
!
Команды программ и данные хранятся в одной и той же
памяти. Команды и данные отличаются только по
способу использования. Это утверждение называют
принципом однородности памяти.
Так, если к двоичной последовательности обращаются как к числу, то в ней
выделяют поле знака и поле значащих разрядов. Если к двоичной
последовательности обращаются как к команде, то в ней выделяют поле
кода операции и поле адресов операндов.)
Ячейка
Сегмент
Сегмент
Сегмент
Память
Сегмент

14.

МК
4. Принцип адресности памяти
!
Команды и данные размещаются в единой памяти,
состоящей из ячеек, имеющих свои номера
(адреса).
Адрес
сегмента
Адрес ячейки
25F0:A3ED
(в 16-ой СС)
(Структурно оперативная память компьютера
состоит из отдельных битов – однородных
элементов, обладающих двумя устойчивыми
состояниями, одно из которых соответствует
нулю, а другое – единице. Для записи или
считывания группы соседних битов объединяются
в ячейки памяти, каждая из которых имеет свой
номер (адрес)).
(Разрядность ячеек памяти (количество битов в
ячейке) у компьютеров разных поколений была
различной. Основой оперативной памяти
современных компьютеров является
восьмибитная ячейка. )
Смещение
внутри
сегмента

15.

МК
5. Принцип иерархичности памяти
Можно выделить два основных требования, предъявляемых
к памяти компьютера:
• объём памяти должен быть как можно больше
• время доступа к памяти должно быть как можно
меньше

16.

МК
Принцип иерархичности памяти
!
Трудности физической реализации запоминающего
устройства высокого быстродействия и большого
объёма требуют иерархической организации памяти.
Решение проблемы – использование нескольких различных
видов памяти, различающихся по времени доступа,
объему и стоимости.)
Цена за байт
Дорого
Быстро
…
Мало
…
Дешево
…
Медленно
Много
Уровни иерархии взаимосвязаны: все данные на одном уровне могут быть
также найдены на более низком уровне.
Более высокий уровень памяти меньше по объему, быстрее и имеет
большую стоимость, чем более низкий.

17.

МК
6. Принцип программного управления
Все вычисления, предусмотренные алгоритмом решения
задачи, должны быть представлены в виде программы,
состоящей из последовательности команд.
Команды представляют собой закодированные
управляющие слова, в которых указывается:
• какое выполнить действие
• из каких ячеек считать операнды (данные,
участвующие в операции)
• в какую ячейку записать результат операции
!
Принцип программного управления определяет
общий механизм автоматического выполнения
программы.

18.

МК
Принцип программного управления
Команды, входящие в программу выполняются процессором автоматически в определенной последовательности. При
этом выполняется следующий цикл действий:
Чтение и расшифровка
команды
Формирование адреса
очередной команды
Выполнение команды
Программа
завершена?
да
Передать управление
операционной системе
нет

19.

МК
Архитектура компьютера
!
Архитектура – это общие принципы построения
компьютера,
отражающие
программное
управление работой и взаимодействие его
основных узлов.

20.

МК
Архитектура компьютера
!
Магистраль (шина) - устройство для обмена
данными между устройствами компьютера.
Процессор
(АЛУ, УУ)
Память
(ОЗУ, ПЗУ)
Шина адреса
Шина данных
Шина управления
к
к
Устройства
ввода
к
Внешняя
память
Устройства
вывода
Шина адреса используется
Поуказания
шине управления
для
физического
Шина данных
передаются
сигналы,
адреса по которому
используется
дляобменом
передачи
управляющие
устройство
обращается
для
данных
между
узлами
информацией
между
проведения
операции
чтения
компьютера
устройствами
или записи. и
синхронизирующие этот
обмен.
Контроллер – специальный
микропроцессор для
управления внешними
устройствами
(накопителями, мониторами,
устройствами ввода-вывода и внешней памятью).

21.

МК
Архитектура компьютера
Данные между внешними
устройствами по магистрали
передаются напрямую
Существенное снижение
нагрузки на центральный
процессор
Повышение эффективности
работы всей вычислительной
системы
Современные
компьютеры
обладают
магистральномодульной архитектурой, главное достоинство которой
заключается в возможности легко изменить конфигурацию.

22.

МК
Направления развития
Электронная техника
подошла к предельным
значениям своих технических характеристик,
которые определяются
физическими законами
НАНОТЕХНОЛОГИИ
Поиск неэлектронных
средств хранения и
обработки данных.
Создание квантовых и
биологических
компьютеров

23.

МК
Самое главное
Независимо друг от друга Джон фон Нейман и Сергей
Алексеевич Лебедев сформулировали основополагающие
принципы построения компьютеров:
• состав основных компонентов вычислительной машины;
• принцип двоичного кодирования;
• принцип однородности памяти;
• принцип адресности памяти;
• принцип иерархической организации памяти;
• принцип программного управления.

24.

МК
Самое главное
Архитектура – это общие принципы построения
компьютера, отражающие программное управление работой
и взаимодействие его основных функциональных узлов.
Архитектура
первых
компьютеров
предполагала
взаимодействие всех устройств через процессор и наличие
неизменного набора внешних устройств.
Современные
компьютеры
обладают
открытой
магистрально-модульной архитектурой – устройства
взаимодействуют через шину, что способствует оптимизации
процессов внутреннего обмена информацией.
Современная архитектура позволяет легко изменить
конфигурацию компьютера путём подключения к шине новых
или замены старых внешних устройств.