Организация и функционирование ЭВМ. (Лекция 1)

1. Организация и функционирование ЭВМ

© Кадилов Сергей Геннадьевич

2. Целью изучения курса является получение знаний по основным принципам построения, функционирования и использования современных средств В

Целью изучения курса является
получение знаний по основным
принципам построения,
функционирования и
использования современных
средств ВТ.
© Кадилов Сергей Геннадьевич

3. Компьютер (англ. computer — «вычислитель»), ЭВМ (электронная вычислительная машина) — машина для проведения вычислений, а также приёма, перера

Компьютер (англ. computer — «вычислитель»), ЭВМ
(электронная вычислительная машина) — машина для
проведения вычислений, а также приёма, переработки,
хранения и выдачи информации по заранее
определённому алгоритму (компьютерной программе).
Впервые трактовка слова компьютер появилась в
1897 году в Оксфордском английском словаре. Его
составители тогда понимали компьютер как
механическое вычислительное устройство. В 1946 году
словарь пополнился дополнениями, позволяющими
разделить понятия цифрового, аналогового и
электронного компьютеров.
© Кадилов Сергей Геннадьевич

4. История вычислительной техники

3000 лет до н. э. — в Древнем Вавилоне
были изобретены первые счёты — абак.
Абак (греч. αβαξ, abákion, лат. abacus —
доска) — счётная доска, применявшаяся для
арифметических вычислений приблизительно
с IV века до н. э. в Древней Греции, Древнем
Риме.
500 лет до н. э. — в Китае появился более
«современный» вариант абака с
косточками на проволоке.
1492 год — Леонардо да Винчи в одном из своих дневников приводит
эскиз 13-разрядного суммирующего устройства с десятизубцовыми
кольцами. Хотя работающее устройство на базе этих чертежей было
построено только в XX веке, всё же реальность проекта Леонардо да
Винчи подтвердилась.
© Кадилов Сергей Геннадьевич

5. История вычислительной техники

1623 год — Вильгельм Шиккард, профессор университета Тюбингена,
разрабатывает устройство на основе зубчатых колес («считающие
часы») для сложения и вычитания шестиразрядных десятичных
чисел. Было ли устройство реализовано при жизни изобретателя,
достоверно неизвестно, но в 1960 году оно было воссоздано и
проявило себя вполне работоспособным.
1630 год — Ричард Деламейн создаёт круговую логарифмическую
линейку.
1642 год — Блез Паскаль представляет «Паскалин» — первое реально
осуществлённое и получившее известность механическое цифровое
вычислительное устройство. Прототип устройства суммировал и вычитал
пятиразрядные десятичные числа. Паскаль изготовил более десяти таких
вычислителей, причём последние модели оперировали числами с
восемью десятичными разрядами.
© Кадилов Сергей Геннадьевич

6. История вычислительной техники

1673 год — известный немецкий философ и математик Готфрид
Вильгельм Лейбниц построил механический калькулятор, который
при помощи двоичной системы счисления выполнял умножение,
деление, сложение и вычитание. Примерно в это же время Исаак
Ньютон закладывает основы математического анализа.
1723 год — немецкий математик и астроном Христиан Людвиг
Герстен на основе работ Лейбница создал арифметическую машину.
Машина высчитывала частное и число последовательных операций
сложения при умножении чисел. Кроме того, в ней была
предусмотрена возможность контроля за правильностью ввода
данных.
1786 год — немецкий военный инженер Иоганн Мюллер выдвигает
идею «разностной машины» — специализированного калькулятора
для табулирования логарифмов, вычисляемых разностным методом.
Калькулятор, построенный на ступенчатых валиках Лейбница,
получился достаточно небольшим (13 см в высоту и 30 см в
диаметре), но при этом мог выполнять все четыре арифметических
действия над 14-разрядными числами.
© Кадилов Сергей Геннадьевич

7. История вычислительной техники

1801 год — Жозеф Мария Жаккард строит ткацкий станок с
программным управлением, программа работы которого задается с
помощью комплекта перфокарт.
1820 год — первый промышленный выпуск арифмометров.
Первенство принадлежит французу Тома де Кальмару.
1822 год — английский математик Чарльз Бэббидж изобрёл, но не
смог построить, первую разностную машину (специализированный
арифмометр для автоматического построения математических
таблиц)
Часть Разностной
Копия
машины Чарльза
разностной
Бэббиджа,
машины
собранная после
в
смерти учёного его
лондонско
сыном из деталей
м Музее
найденных в
Науки.
лаборатории отца.
© Кадилов Сергей Геннадьевич

8. История вычислительной техники

1855 год — братья Георг и Эдвард Шутц (англ. George & Edvard
Scheutz) из Стокгольма построили первую разностную машину на
основе работ Чарльза Бэббиджа.
1876 год — русским математиком П.Л.Чебышевым создан суммирующий
аппарат с непрерывной передачей десятков. В 1881 он же сконструировал
к нему приставку для умножения и деления (Арифмометр Чебышева).
Арифмометр 1932 года выпуска.
1884—1887 годы — Холлерит разработал электрическую
табулирующую систему, которая использовалась в переписях
населения США ( 1890-м и 1900-м годах) и России в 1897.
© Кадилов Сергей Геннадьевич

9. История вычислительной техники

1912 год — создана машина для интегрирования обыкновенных
дифференциальных уравнений по проекту российского ученого А.Н.
Крылова.
1927 год — в Массачусетском технологическом институте (MIT) был
изобретён аналоговый компьютер.
1938 год — немецкий инженер Конрад Цузе вскоре
после окончания в 1935 году Берлинского
политехнического института построил свою первую
машину, названную Z1. (В качестве его соавтора
упоминается также Гельмут Шрейер (нем. Helmut
Schreyer)). Это полностью механическая
программируемая цифровая машина. Модель была
пробной и в практической работе не
использовалась. Её восстановленная версия
хранится в Немецком техническом музее в
Берлине. В том же году Цузе приступил к созданию
машины Z2.
© Кадилов Сергей Геннадьевич

10. История вычислительной техники

1942 год — в Университете штата Айова (англ. Iowa State University)
Джон Атанасов (англ. John Atanasoff) и его аспирант Клиффорд
Берри (англ. Clifford Berry) создали (а точнее — разработали и
начали монтировать) первый в США электронный цифровой
компьютер (англ. Atanasoff-Berry Computer — ABC). Хотя эта машина
так и не была завершена (Атанасов ушёл в действующую армию),
она, как пишут историки, оказала большое влияние на Джона Мочли,
создавшего двумя годами позже ЭВМ Эниак.
В начале 1943 года успешные испытания прошла первая американская
вычислительная машина Марк I, предназначенная для выполнения
сложных баллистических расчётов американского ВМФ.
В конце 1943 года заработала английская вычислительная машина
специального назначения Колосс. Машина работала над
расшифровкой секретных кодов фашистской Германии.
© Кадилов Сергей Геннадьевич

11. История вычислительной техники

В 1944 году Конрад Цузе разработал ещё более быстрый компьютер
Z4.
1946 год стал годом создания первой универсальной электронной
цифровой вычислительной машины Эниак.
До 1948 года для
перепрограммирования ENIAC нужно
было, фактически, перекоммутировать
его заново.
Компьютер Эниак
В Советском Союзе первая электронная вычислительная машина
была создана в Киеве группой Лебедева в 1950 году.
© Кадилов Сергей Геннадьевич

12. Экспоненциальное развитие компьютерной техники Если проследить историю развития вычислительных устройств, начиная с 1900 года, можно заме

Экспоненциальное развитие
компьютерной техники
Если проследить историю развития вычислительных устройств,
начиная с 1900 года, можно заметить характерное удвоение
производительности за каждые 18—24 месяца. Впервые эту
особенность в 1965 году описал соучредитель компании «Intel» Гордон
Е. Мур. Столь же стремительно развивается и процесс
миниатюризации компьютеров. Первые электронно-вычислительные
машины (например, такие, как созданный в 1946 году Эниак) были
огромными устройствами, весящими многие тонны, занимавшими
целые комнаты и требовавшими большого количества
обслуживающего персонала для успешного функционирования. Они
были настолько дороги, что их могли позволить себе только
правительства и большие исследовательские организации, и
представлялись настолько экзотическими, что казалось — небольшая
горстка таких систем сможет удовлетворить любые будущие
потребности. В контрасте с этим, современные компьютеры — гораздо
более мощные и компактные и гораздо менее дорогие — стали
воистину вездесущими.
© Кадилов Сергей Геннадьевич

13. Классификация

Типизация по назначению
Калькулятор
Консольный компьютер
Миникомпьютер
Мэйнфрейм
Персональный компьютер
Игровая приставка (Игровая консоль)
Карманный компьютер (КПК)
Одеваемый компьютер
Рабочая станция
Настольный компьютер
Ноутбук (Лэптоп)
Сервер
Суперкомпьютер
Поверхностный характер представленного подхода к классификации компьютеров
очевиден. Он обычно используется лишь для обозначения общих черт наиболее часто
встречающихся компьютерных устройств. Быстрые темпы развития вычислительной
техники означают постоянное расширение областей её применения и быстрое
устаревание используемых понятий. Для более строгого описания особенностей того
или иного компьютера обычно требуется использовать другие схемы классификаций.
© Кадилов Сергей Геннадьевич

14. Классификация

Физическая реализация
Квантовый компьютер
Механический компьютер
Оптический компьютер
Пневматический компьютер
Электронный компьютер
Цифровой или аналоговый
Фундаментальным решением при проектировании компьютера
является выбор, будет ли он цифровой или аналоговой системой. Если
цифровые компьютеры работают с дискретными численными или
символьными переменными, то аналоговые предназначены для
обработки непрерывных потоков поступающих данных. Примерами
аналоговых вычислителей, от простого к сложному, являются:
логарифмическая линейка, астролябия, осциллограф, телевизор,
аналоговый звуковой процессор, автопилот, мозг.
Среди наиболее простых дискретных вычислителей известен абак, или
обыкновенные счёты; наиболее сложной из такого рода систем
является суперкомпьютер.
© Кадилов Сергей Геннадьевич

15. Классификация

Типизация по назначению
Калькулятор
Консольный компьютер
Миникомпьютер
Мэйнфрейм
Персональный компьютер
Игровая приставка (Игровая консоль)
Карманный компьютер (КПК)
Одеваемый компьютер
Рабочая станция
Настольный компьютер
Ноутбук (Лэптоп)
Сервер
Суперкомпьютер
Поверхностный характер представленного подхода к классификации компьютеров
очевиден. Он обычно используется лишь для обозначения общих черт наиболее часто
встречающихся компьютерных устройств. Быстрые темпы развития вычислительной
техники означают постоянное расширение областей её применения и быстрое
устаревание используемых понятий. Для более строгого описания особенностей того
или иного компьютера обычно требуется использовать другие схемы классификаций.
© Кадилов Сергей Геннадьевич

16. Система счисления

Система счисления — символический метод записи чисел,
представление чисел с помощью письменных знаков. Системы
счисления подразделяются на позиционные и непозиционные.
b-ричная система счисления определяется натуральным числом b >
1, называемым основанием системы счисления. Для представления
числа x в b-ричной системе счисления его представляют в виде
линейной комбинации степеней числа b:
.
, где ak — целые,
© Кадилов Сергей Геннадьевич

17. Система счисления

Также распространены системы счисления с основаниями:
2 — двоичная (в дискретной математике, информатике,
программировании)
8 — восьмеричная (в программировании)
12 — двенадцатеричная (широко использовалась в
древности, в некоторых частных областях используется и
.
сейчас)
16 — шестнадцатеричная (наиболее распространена в
программировании, а также в шрифтах)
60 — шестидесятеричная (измерение углов и, в частности,
долготы и широты)
© Кадилов Сергей Геннадьевич

18. Система счисления

Переход к другому основанию
Перевод произвольной позиционной системы счисления в десятич
Если число в b-ричной системе счисления равно
то для перевода в десятичную систему вычисляем такую сумму:
или, в более наглядном виде:
.
либо, наконец, в виде схемы Горнера:
Например:
1011002 =
= 1 · 25 + 0 · 24 + 1 · 23 + 1 · 22 + 0 · 21 + 0 · 1 =
= 1 · 32 + 0 · 16 + 1 · 8 + 1 · 4 + 0 · 2 + 0 · 1 =
= 32 + 8 + 4 + 0 = 4410
© Кадилов Сергей Геннадьевич

19.

Пример на C для перевода 18 в 7-ричную систему выглядит так:
(корректно работает до основания 10, дальше появятся «цифры»:;<=>?@012 и т.д.)
void perevod( unsigned int num, unsigned int base )
{
#define LENGTH ( 8 * sizeof( unsigned int ) ) /* размер с запасом */
char str[ LENGTH + 1]; /* +1 для символа [[EOS]] */
char *pstr = str + LENGTH - 1; /* начинаем заполнять цифрами с конца */
str[ LENGTH ] = '\0'; /* добавляем EOS */
if( num == 0 ) *pstr = '0'; /* если цикл не будет крутиться */
else
do
{
*pstr-- = '0' + num % base; /* заполняем цифрами, сдвигаясь влево */
.
num
/= base;
}
while( num > 0 );
printf( "%s\n", pstr + 1 ); /* печатаем, начиная с 1го ненулевого символа */
#undef LENGTH /* уже не нужно */
}
void main()
{
perevod( 18, 7 );
}
© Кадилов Сергей Геннадьевич

20.

Перевод из десятичной в произвольную позиционную
систему счисления
Для перевода необходимо делить число с остатком на основание
счисления до тех пор, пока частное больше основания счисления.
Пример:
4410 переведём в двоичную систему
44 делим на 2. частное 22, остаток 0
22 делим на 2. частное 11, остаток 0
.11 делим на 2. частное 5, остаток 1
5 делим на 2. частное 2, остаток 1
2 делим на 2. частное 1, остаток 0
1 делим на 2. частное 0, остаток 1
Частное равно нулю, деление закончено. Теперь записав все остатки
справа налево получим число 1011002
© Кадилов Сергей Геннадьевич

21.

Непозиционные системы счисления
В непозиционных системах счисления величина, которую обозначает цифра,
не зависит от положения в числе. При этом система может накладывать
ограничения на положение цифр, например, чтобы они были расположены в
порядке убывания.
Римская система счисления
Каноническим примером фактически непозиционной системы счисления
является римская, в которой в качестве цифр используются латинские буквы:
I обозначает 1,
V — 5,
X — 10,
L — 50,
C—
. 100,
D — 500,
M — 1000
Например, II = 1 + 1 = 2
здесь символ I обозначает 1 независимо от места в числе.
На самом деле, римская система не является полностью непозиционной, так
как меньшая цифра, идущая перед большей, вычитается из неё, например:
IV = 4, в то время как:
VI = 6
© Кадилов Сергей Геннадьевич

22.

Структура и принципы функционирования ЭВМ
.
арифметико-логическое устройство (АЛУ);
устройство управления (УУ)
запоминающее устройство (ЗУ);
устройства ввода-вывода (УВВ);
пульт управления (ПУ).
Внешняя память (ВЗУ)
Устройства ввода-вывода (I/O)
© Кадилов Сергей Геннадьевич

23.

Стандартная
конфигурация ПК.
У персональных компьютеров выделяют 2 части:
аппаратную часть – Hardware и программное обеспечение
.
Software.
Иногда говорят еще о третьей части - Brainware - интеллекте
пользователя, способного эффективно использовать как
Hardware, так и Software.
Описанное как ниже, так и выше пока касается только Hardware.
В состав Персонального Компьютера входят:
1.Системный блок
2.Монитор
3.Клавиатура
4.Мышь (стандартная конфигурация ПК)
© Кадилов Сергей Геннадьевич