2.94M

Category:

informatics

Цифровая схемотехника. Основные сведения о ЦХТ. История развития. Лекция 1

1.

Лекция 1
Всего 84часов:
38 ч лк 60ч пр
4ч / нед.
экзамен

Бойт К. Цифровая электроника. Москва:
Техносфера, 2007. - 422с.
Горнец Н.Н.Организация ЭВМ и систем. М.: Академия, 2008. - 320с.
Келим Ю.М. Вычислительная техника. М.: Академия, 2007. - 384с.
Вычислительная техника:метод.пособие
/авт.-сост.Б.В.Цыбаков.- М.,2004.- 112с
Жмакин А.П. Архитектура ЭВМ. – СПб:
БХВ-Петербург, 2006. – 320с.
Калиш
Г.Г. Основы вычислительной
техники.- М.:Высш.шк.,2000. - 257с.

3.

дисциплину,
которая
изучает
основы
построения
аппаратных средств цифровых устройств, в том числе
цифровых вычислительных машин (ЦВМ) и персональных
компьютеров.
В рамках дисциплины рассматриваются принципы работы
логических элементов и элементная база цифровых
устройств, основные комбинационные и накапливающие
узлы,
триггеры,
принципы
организации
и
функционирования полупроводниковой памяти, принципы
работы
и
организации
микропроцессоров,
микропроцессорных систем и устройств, входящих в
состав этих систем.

4.

Совокупность
устройств,
предназначенных
для
автоматической, или автоматизированной обработки
данных.

5.

Конкретный набор взаимодействующих между собой устройств и
программ, предназначенный для обслуживания одного рабочего
места.

6.

объединение
аппаратных средств, средств управления
аппаратурой
(физическими
ресурсами),
средств
управления
логическими
ресурсами,
систем
программирования
и
прикладного
программного
обеспечения.

7.

Термин «компьютер» = «ЭВМ»
Компью́тер от англ. computer — «вычислитель»
Электро́нная
вычисли́тельная маши́на (ЭВМ) —
вычислительная машина, построенная с использованием в
качестве
функциональных
элементов
электронных
устройств вместо механических.

8.

это электронной прибор, предназначенный для автоматизации
создания, хранения, обработки и транспортировки данных.

9.

механизм,
электромеханическое
или
электронное
устройство,
предназначенное
для
автоматического
выполнения математических операций.

10.

I.
II.
III.
IV.
Ручной - с 50-го тысячелетия до н.э.;
Механический - с середины XVII века;
Электромеханический - с девяностых годов XIX века;
Электронный - с сороковых годов XX века.

11.

12.

В 1623 году
немец Вильгельм
Шиккард (нем.
Wilhelm
Schickard) создал
так называемые
«Считающие
часы» - первый
автоматический
калькулятором.
Сам изобретатель в письмах называл
машину «суммирующими часами».

13.

В 1642 году 18-летний французский математик и Физик Блез
Паскаль создал первую модель вычислительной машины,
которая могла выполнять арифметические операции
сложения и вычитание.
В 1649 году Б.Паскаль получает королевскую привилегию на
изготовление и продажу своей машины, до наших дней
сохранилось 8 машин.

14.

Первую машину, с помощью которой можно было не только
складывать, но и умножать и делить изобрёл Г. Лейбниц
(1646-1716).
В 1673 году другой известный учёный — Готфрид Вильгельм
Лейбниц изготовил механический калькулятор, позволявший
легко выполнять вычитание, умножение и деление.

15.

Инженер
В. Однер разработал колесо с переменным
числом зубьев, что позволило почти серийно выпускать
арифмометры («Феликс» Курского завода Счетмаш),
которые являлись основным средством вычислений вплоть
до эпохи ПЭВМ и калькуляторов.

16.

В 30-х годах 17 столетия в
национальной библиотеке Мадрида
ученые нашли эскиз 13-разрядного
суммирующего
устройства
с
десятизубыми колёсами.
В рекламных целях оно было
воспроизведено фирмой IBM и
оказалось
вполне
работоспособным.

17.

1819г.
- первая арифметическая машина, реализующей
автоматическое выполнение последовательности действий
считают разностную машину Ч. Бебиджа (1792-1871).

18.

1834г.
- аналитическая машина - впервые был
реализован принцип разделения информации на
команды и данные. Аналитическая машина содержала
два крупных узла — «склад» и «мельницу».
Это был проект компьютера
общего назначения с
применением перфокарт, а также
парового двигателя в качестве
источника энергии.

19.

«Разностная
машина», построенная вскоре Мартином
Вибергом (швед. Martin Wiberg), также была в своей
основе улучшенной версией машины Чарльза Бэббиджа и
использовалась для расчёта и публикации печатных
логарифмических таблиц.

20.

Холлерит (1860-
1929 г.) изобрёл
табуляторы –
электрические
релейные
машины, которые
широко
использовались
для обработки
статистической
информации
вплоть до 70г.
прошлого века.
Машина Холлерита в зачаточном виде
содержала все необходимые элементы
вычислительного автомата, работающего
без вмешательства человека:
•арифметическое устройство,
•память (это колода перфокарт и регистры
для
запоминания
промежуточных
результатов вычислений),
•устройство ввода (с перфокарт) и вывода
данных,
•управление вычислительным процессом.

21.

22.

Освоение электронных схем положило начало массовому
внедрению вычислительной, а потом информационной
схемы во все сферы человеческой деятельности.
Первые электронные цифровые вычислительные машины
(ЭЭВМ) были разработаны и выпущены на рубеже 40-50
годов прошлого века в США, Англии и чуть позднее в
СССР.

23.

Двоичная система Лейбница.
Математическая логика Джорджа Буля.

24.

Двоичная система Лейбница.
Возможность
представления любых чисел (да и не только
чисел) двоичными цифрами впервые была предложена
Готфридом Вильгельмом Лейбницем в 1666 году.
Лейбницу приходила в голову мысль о возможности
использования двоичной системы в вычислительном
устройстве

25.

Применил в логике систему формальных обозначений
и правил, близкую к математической. Впоследствии
эту систему назвали логической алгеброй или булевой
алгеброй.
Правила
этой системы применимы к самым
разнообразным объектам и их группам (множествам,
по терминологии автора).
Четыре основные операции: И (пересечение), ИЛИ
(объединение), НЕ (обращение) и ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ
ИЛИ — лежат в основе работы всех видов процессоров
современных компьютеров.

26.

Все
перечисленные выше факты относятся к истории
цифровой ВТ, в которой информация представляется в
дискретной форме, т.е. в форме чисел, кодов, знаков.
Существуют вычислительные устройства (аналоговые),
которые оперируют непрерывной информацией, например
логарифмическая линейка.

27.

Под поколением понимают все типы и модели ЭВМ,
разработанные
различными
конструкторскотехническими коллективами, но построенных на одних
и тех же научных и технических принципах.
Появление каждого нового поколения определялось тем,
что появлялись новые базовые элементы, технология
изготовления которых принципиально отличалась от
предыдущего поколения.

28.

Поколения ЭВМ
Показатель
Элементная база
процессора
Первое
1951-1954
Электронные
лампы
Языки
Машинный код
программирования
Второе
1958-I960
Третье
1965-1966
Четвертое
А
1976-1979
Б
1985-?
Пятое
Транзисторы
Интегральные
Сверхбольшие ИС
Большие ИС (БИС)
схемы (ИС)
(СБИС)
+Оптоэлектроника
+Криоэлектроника
+ Ассемблер
+ Процедурные
языки
+ Новые
+Непроцедурные
высокого
процедурные ЯВУ
ЯВУ
уровня (ЯВУ)
+ Новые
непроцедурные ЯВУ
Цветной +
графический
дисплей,
клавиатура,
“мышь” и др.
Устройства
голосовой
связи с ЭВМ
создание АРМ,
обработка
текстов,
мультимедиа
Все сферы
деятельности
Средства связи
пользователя с ЭВМ
Пульт
управления и
перфокарты
Перфокарты и
перфоленты
Алфавитноцифровой
терминал
Монохромный
графический
дисплей,
клавиатура
Сфера применения
Научнотехнические
расчёты
Инженерные,
научные,
экономические
задачи
АСУ, САПР,
научно –
технические
задачи
Задачи
управления,
коммуникации,

29.

Поколения ЭВМ
Показатель
Первое
1946-1960
Элементная база
процессора
Электронные лампы
Языки программирования
Машинный код
Средства связи
пользователя с ЭВМ
Пульт управления и перфокарты
Сфера применения
Научно-технические расчёты

30.

Элементная база – электронно-вакуумные лампы.
Габариты – в виде шкафов и занимали машинные
залы.
Быстродействие – 10 – 100 тыс. оп./с.
Эксплуатация – очень сложна.
Программирование – трудоемкий процесс.
Структура ЭВМ – по жесткому принципу.

31.

32.

33.

Поколения ЭВМ
Показатель
Второе
1960-I965
Элементная база
процессора
Транзисторы
Языки программирования
+ Ассемблер
Средства связи
пользователя с ЭВМ
Перфокарты и перфоленты
Сфера применения
Инженерные, научные,
экономические задачи

34.

Элементная
база – активные и пассивные
элементы.
Габариты – однотипные стойки, требующие
машинный зал.
Быстродействие – сотни тысяч – 1 млн.
оп./с.
Эксплуатация – упростилась.
Программирование
–
появились
алгоритмические языки.
Структура ЭВМ – микропрограммный способ
управления.

35.

36.

Показатель
Поколения ЭВМ
Третье
1965-1975
Элементная база
процессора
Интегральные схемы (ИС)
Языки программирования
+ Процедурные языки высокого уровня (ЯВУ)
Средства связи
пользователя с ЭВМ
Алфавитно- цифровой терминал
Сфера применения
АСУ, САПР, научно – технические задачи

37.

Элементная
база – интегральные схемы,
большие интегральные схемы (ИС, БИС).
Габариты – однотипные стойки, требующие
машинный зал.
Быстродействие – сотни тысяч – миллионы
оп./с.
Эксплуатация – оперативно производится
ремонт.
Программирование – подобен II поколению.
Структура ЭВМ – принцип модульности и
магистральности.
Появились дисплеи, магнитные диски.

38.

39.

Показатель
Четвертое
Поколения ЭВМ
А
1976-1979
Б
1985-?
Элементная база
процессора
Большие ИС (БИС)
Сверхбольшие ИС
(СБИС)
Языки
программирования
+ Новые процедурные ЯВУ
+Непроцедурные ЯВУ
Средства связи
пользователя с ЭВМ
Монохромный
графический
дисплей,
клавиатура
Цветной +
графический
дисплей,
клавиатура,
“мышь” и др.
Сфера применения
Задачи
управления,
коммуникации,
создание АРМ,
обработка
текстов,
мультимедиа

40.

Элементная база – сверхбольшие
интегральные схемы (СБИС).
Создание многопроцессорных вычислительных
систем.
Создание дешевых и компактных микроЭВМ и
персональных ЭВМ и на их базе
вычислительных сетей.

41.

Маршиан Эдвард Хофф из фирмы
Intеl
сконструировал
интегральную схему, аналогичную
по своим функциям центральному
процессору большого компьютера.
Так
появился
первый
микропроцессор Iпtеl-4004, который был выпущен в продажу в
1971 г.

42.

автор Труонг Тронг Ти
Массовое производство и
внедрение в практику
персональных компьютеров
связывают с именем Стива
Джобса, руководителя и
основателя фирмы "Эпл
компьютер", 1977 г.
наладившей выпуск
персональных компьютеров
"Apple"
Apple II – первый цветной
8-битный домашний
компьютер с графическим
разрешением 280х192 точки

43.

Показатель
Поколения ЭВМ
Пятое
Элементная база процессора
+Оптоэлектроника
+Криоэлектроника
Языки программирования
+ Новые непроцедурные ЯВУ
Средства связи пользователя
с ЭВМ
Устройства голосовой связи с ЭВМ
Сфера применения
Все сферы деятельности

44.

оптический компьютер, в котором все компоненты будут
заменены их оптическими аналогами (оптические
повторители, оптоволоконные линии связи, память на
принципах голографии;
молекулярный компьютер, принцип действия которого
будет основан на способности некоторых молекул
находиться в различных состояниях;
квантовый
компьютер, состоящий из компонентов
субатомного размера и работающий по принципам
квантовой механики.

45.

Переход к компьютерам пятого поколения предполагал
переход к новым архитектурам, ориентированным
на создание искусственного интеллекта.
IBM eServer z990
Изготовлен в 2003 г.

46.

47.

широко
известный принцип совместного
программ и данных в памяти компьютера
хранения

48.

Информация кодируется в двоичной форме и разделяется на
единицы – слова.
Разнотипные по смыслу слова различаются по способу
использования, а не по способу кодирования.
Слова
информации размещаются в ячейках памяти и
идентифицируются номерами ячеек – адресами слов.
Алгоритм
представляется в форме последовательности
управляющих
слов
(команд).
Команда
определяет
наименование операции и слова информации, участвующие в
ней. Алгоритм, записанный в виде последовательности команд
– программа.
Выполнение вычислений, предписанных алгоритмом, сводится
к последовательному выполнению команд в порядке,
однозначно определённом программой.

49.

Принцип
двоичного кодирования - согласно
этому принципу, вся информация, поступающая в
ЭВМ, кодируется с помощью двоичных сигналов
(двоичных цифр, битов) и разделяется на
единицы, называемые словами.

50.

Принцип
однородности памяти - программы и
данные хранятся в одной и той же памяти. Поэтому
ЭВМ не различает, что хранится в данной ячейке
памяти — число, текст или команда. Над командами
можно выполнять такие же действия, как и над
данными.

51.

Принцип
адресуемости
памяти
структурно основная память состоит из
пронумерованных ячеек; процессору в
произвольный момент времени доступна
любая ячейка.
Отсюда следует возможность давать имена
областям памяти, так, чтобы к хранящимся
в них значениям можно было бы
впоследствии обращаться или менять их в
процессе
выполнения
программы
с
использованием присвоенных имен.

52.

Принцип последовательного программного
управления - предполагает, что программа
состоит
из
набора
команд,
которые
выполняются процессором автоматически
друг
за
другом
в
определенной
последовательности.

53.

Принцип
жесткости
архитектуры
неизменяемость
в
процессе
работы
топологии, архитектуры, списка команд.

54.

55.

Устройство управления и арифметико-логическое
устройство
в
современных
компьютерах
объединены в один блок – процессор.
Процессор
является
преобразователем
информации, поступающей из памяти и внешних
устройств
выборка команд из памяти,
кодирование и декодирование,
выполнение
различных,
в
том
арифметических, операций,
согласование работы узлов компьютера
числе
и

56.

Память
(ЗУ) хранит информацию
программы.
Запоминающее
устройство
у
компьютеров "многоярусно"
(данные)
и
современных

57.

В
построенной по описанной схеме ЭВМ происходит
последовательное считывание команд из памяти и их
выполнение.
Номер (адрес) очередной ячейки памяти. из которой будет
извлечена следующая команда программы, указывается
специальным устройством – счетчиком команд в УУ.
Его наличие также является одним из характерных
признаков рассматриваемой архитектуры.

58.

Разработанные
фон Нейманом основы архитектуры
вычислительных устройств оказались настолько
фундаментальными, что получили в литературе
название “фон-неймановской архитектуры”

59.

Подавляющее
большинство вычислительных машин на
сегодняшний день – фон-неймановские машины.
Исключение составляют лишь отдельные разновидности
систем для параллельных вычислений, в которых
отсутствует счетчик команд, не реализована классическая
концепция переменной и имеются другие существенные
принципиальные отличия от классической модели.

60.

ЭВМ как сложная система может быть описана на
нескольких уровнях.
Система – совокупность элементов, объединённых в одно
целое для достижения определённых целей.
Структура
системы – фиксированная совокупность
элементов системы и связей между ними.
Элемент – неделимая часть системы, структура которого
не рассматривается, а определяются только его функции.
Функции системы стремятся описывать в математической
форме, иногда в словесной и может быть задана в виде
графа или матриц.

61.

Уровень
описания
Объект
Структура
Язык описания
Электрические
схемы
Логические и запоминающие
элементы
Электронные и радиокомпоненты
(транзисторы, регистры и т.д.)
Соотношения теории
электрических цепей
Логические
схемы
Операционные элементы
(счётчики, сумматоры,
дешифраторы, регистры)
микропрограммные автоматы
Логические и запоминающие элементы
Булевы алгебра,
теория автоматов
Операционные
схемы
Операционные устройства (АЛУ,
УУ, запоминающее устройство)
Операционные элементы,
микропрограммные автоматы
Языки описания
микроопераций
Структурные
схемы
ЭВМ и системы
Операционные устройства
Языки машинных
команд,
микропрограмм
Программный
уровень
ОС, вычислительный процесс
Команды и операторы
Алгоритмические
языки