какие устройства эвм являются наиболее медленно действующими

Что такое ЭВМ? Поколения ЭВМ.

Каждый из нас слышал такой термин, как ЭВМ. Однако что это такое, точно сказать может не каждый. Также не все представляют, какую историю прошла данная техника, чтобы стать привычной для сегодняшнего пользователя.

Определение

Первое поколение

Ламповые ЭВМ стали первыми вычислительными машинами, выпуск которых начался в начале 50-х годов прошлого столетия. Примерно в то время люди начале массово узнавать, что такое ЭВМ.

В Соединенных Штатах о том, что такое ЭВМ, знали также многие. Представителем первого поколения электронных вычислительных машин стал «Эдвак». Однако он значительно уступал по параметрам отечественному компьютеру. Связано это было с тем, что БЭСМ-2 применял новые принципы построения. Советская машина могла совершать около десяти тысяч операций в секунду.

Структурно первое поколения ЭВМ было очень схожим с машиной фон Неймана. Конечно, параметры были во много раз хуже, чем у современных самых малофункциональных представителей компьютерной техники. Программы для ЭВМ первого поколения составлялись при помощи машинного кода.

Представители таких машин отличались огромными габаритами и высоким потреблением энергии. Цена машины являлась неподъемной для простых пользователей. Кроме этого, управлять ими мог только специально обученный оператор ЭВМ, так как все программы были сложны для понимания. Поэтому использовались они лишь учеными для каких-либо научно-технических задач.

Вскоре появились первые языки программирования: символическое кодирование и автокоды.

Второе поколение

В 1948 году был создан первый транзистор. Разработкой занимались физики Джон Бардин и Уильям Шокли, а также экспериментатор Уолтер Браттейн. Первые представители данного поколения ЭВМ, которые были созданы на основе транзисторов в конце 50-х годов, а к середине 60-х стали появляться компьютеры, имеющие значительно меньшие габариты.

Главной отличительной чертой транзистора является то, что он способен работать как сорок ламп, но при этом скорость у него выше. Кроме того, эти устройства требовали гораздо меньше энергии и практически не грелись. Параллельно с этим увеличивался и объем памяти для хранения информации. Благодаря стараниям ученых компьютеры получили быстродействие, равное миллиону операций в секунду.

Американским представителем является устройство ЭВМ «Атлас». Советский Союз может быть представлен машиной БЭСМ-6.

Все улучшения, произошедшие с появлением транзисторов, позволили значительно расширить сферы применения ЭВМ. Активно стали создаваться языки программирования для различных целей. Примером могут выступать фортран и кобол.

Однако по-прежнему машины страдали от нехватки памяти. Для экономии пространства стали разрабатывать операционные системы, которые позволяли более рационально распределять ресурсы.

Третье поколение

Данное поколение представлено, прежде всего, ЭВМ, которые были основаны на интегральных микросхемах. При помощи ИС удалось добиться еще большего быстродействия, уменьшить размер, увеличить надежность, а также сократить стоимость устройства.

Вскоре начали появляться первые так называемые мини-ЭВМ. Это были простые, небольшие, надежные и недорогие машинки. Первоначально они предназначались для создания контроллеров, но вскоре потребители поняли, что их можно использовать как обычные вычислительные машины. Благодаря низкой цене и простоте мини-ЭВМ появлялись практически у каждой компании разработчиков, исследователей, инженеров и так далее.

Четвертое поколение

Значительные успехи в разработках ЭВМ привели к появлению больших интегральных схем. Представляли они собой кристалл, который включал в себя тысячи электронных элементов. Благодаря низкой стоимости и неплохим параметрам ЭВМ на БИС получили огромную популярность.

В апреле 1976 года два друга разработали первый в мире персональный компьютер. Известные многим Стив Джобс и Стив Возняк трудились вечерами в гараже над созданием ПК, который впоследствии получил название Appl и обрел огромную популярность. Уже через год была создана одноименная компания, которая занялась выпуском персональных компьютеров.

Пятое поколение

Переход к пятому поколению ЭВМ произошел в конце 80-х годов с появлением микропроцессоров. Именно тогда состоялся переход к работе в оболочках и программных средах. Производительность машин выросла до 10 9 операций в секунду. Разрабатывались ЭВМ, направленные на языки высокого уровня.

Благодаря операционным системам, которые обеспечили простое управление устройством, компьютер стал незаменим практически для каждой сферы человеческой жизни.

Источник

Устройство и принцип действия ЭВМ

На разных этапах развития техники и технологии компьютеры назывались по-разному: арифметическо-логическое устройство (АЛУ), программируемое электронно-вычислительное устройство (ПЭВМ или ЭВМ), вычислительная машина, компьютер.

Основные принципы построения логической схемы и структура вычислительной машины, изложенные выдающимся математиком Джоном фон Нейманом, реализованы в первых двух поколениях ЭВМ. Классическая архитектура ЭВМ, построенная по принципу фон Неймана (фон-неймановская архитектура) и реализованная в вычислительных машинах первого и второго поколений, представлена на рис. 2.1 и содержит следующие основные блоки:

· арифметическо-логическое устройство (АЛУ), выполняющее арифметические и логические операции;

· управляющее устройство (УУ), организующее процесс выполнения программ;

· внешнее запоминающее устройство (ВЗУ), или память, для хранения программ и данных;

· оперативное запоминающее устройство (ОЗУ);

· устройства ввода и вывода информации (УВВ).

Рис. 2.1. Архитектура ЭВМ, реализующая принципы фон Неймана:

Внешняя память отличается от устройств ввода и вывода тем, что данные в нее заносятся в виде, удобном компьютеру, но недоступном для непосредственного восприятия человеком. Например, накопитель на магнитных дисках относится к внешней памяти; устройством ввода является клавиатура, а монитор и принтер — устройства вывода. Причем если монитор можно отнести к устройствам отображения информации, то принтер — типичное печатающее устройство.

Взаимодействие основных устройств компьютера реализуется в определенной последовательности. В память компьютера вводится программа с помощью какого-либо внешнего устройства. Память компьютера состоит из некоторого числа пронумерованных ячеек. В каждой ячейке могут находиться или обрабатываемые данные, или инструкции программ. Номер (адрес) очередной ячейки памяти, из которой будет извлечена следующая команда программы, указывается специальным устройством — счетчиком команд в УУ.

Управляющее устройство считывает содержимое ячейки памяти, где находится первая инструкция (команда) программы, и организует ее выполнение. Как правило, после выполнения одной команды управляющее устройство начинает выполнять команду из ячейки памяти, которая находится непосредственно за ячейкой, где содержится только что выполненная команда.

Управляющее устройство выполняет инструкции программы автоматически и может обмениваться информацией с оперативным запоминающим устройством и внешними устройствами компьютера. Поскольку внешние устройства работают значительно медленнее, чем остальные части компьютера, управляющее устройство может приостанавливать выполнение программы до завершения операции ввода-вывода с внешним устройством. Все результаты выполненной программы должны быть выведены на внешние устройства компьютера, после чего компьютер переходит в режим ожидания каких-либо сигналов от внешних устройств.

Схема устройства современных компьютеров несколько отличается от приведенной выше. Например, арифметическо-логическое и управляющее устройства объединены в единое устройство — центральный процессор — CPU (Central Processing Unit).

Появление ЭВМ третьего поколения было обусловлено переходом от транзисторов к интегральным микросхемам. В них не только были значительно уменьшены размеры базовых функциональных узлов, но и появилась возможность существенно повысить быстродействие процессора. При этом возникло противоречие между высокой скоростью обмена информацией внутри ЭВМ и медленной работой устройств ввода/вывода. Решение проблемы было найдено путем освобождения центрального процессора от функций обмена и передачей их специальным электронным схемам управления работой внешних устройств. Такие схемы имели различные названия: каналы обмена, процессоры ввода/вывода, периферийные процессоры. В последнее время все чаще используется термин «контроллер внешнего устройства», или «контроллер».

Контроллер можно представить как специализированный процессор, управляющий работой какого-либо внешнего устройства по специальным встроенным программам обмена. Например, контроллер дисковода (накопителя на магнитных дисках) обеспечивает позиционирование головки, чтение или запись информации. Результаты выполнения каждой операции заносятся во внутренние регистры памяти контроллера и могут быть в дальнейшем прочитаны центральным процессором. CPU, в свою очередь, выдает задание на выполнение контроллеру. Дальнейший обмен информацией может происходить под руководством контроллера, без участия CPU. Наличие таких интеллектуальных контроллеров — внешних устройств стало важной отличительной чертой ЭВМ третьего и четвертого поколений. Шинная архитектура ЭВМ, содержащей интеллектуальные контроллеры (К), представлена на рис. 2.2. Для связи между отдельными функциональными узлами ЭВМ используется общая магистраль — шина, состоящая из трех частей: шины данных, шины адреса и шины управления.

Следует отметить, что в некоторых моделях компьютеров шины данных и адреса объединены: на шину сначала выставляется адрес, а потом данные. Сигналы по шине управления определяют, для какой цели используется шина в каждый конкретный момент.

Такая открытость архитектуры ЭВМ позволяет пользователю свободно выбирать состав внешних устройств, т. е. конфигурировать компьютер. Рассмотрим функции основных устройств компьютера.

Рис. 2.2. Шинная архитектура ЭВМ

Процессор, или микропроцессор, является основным устройством ЭВМ и представляет собой функционально законченное устройство обработки информации. Он предназначен для выполнения вычислений по хранящейся в запоминающем устройстве программе и обеспечения общего управления ЭВМ. Быстродействие ЭВМ в значительной мере определяется скоростью работы процессора.

Память ЭВМ содержит обрабатываемые данные и выполняемые программы, поступающие через устройство ввода/вывода. Память представляет собой сложную структуру, построенную по иерархическому принципу, состоящую из запоминающих устройств различных типов. Функционально она делится на две части — внутреннюю и внешнюю.

Внутренняя память — это запоминающее устройство, напрямую связанное с процессором и предназначенное для хранения выполняемых программ и данных, непосредственно участвующих в вычислениях. Обращение к внутренней памяти ЭВМ осуществляется с высоким быстродействием, но она имеет ограниченный объем, определяемый системой адресации машины. Внутренняя память, в свою очередь, делится на оперативную и постоянную (ПЗУ) память.

Постоянная память обеспечивает хранение и выдачу информации. Содержимое постоянной памяти заполняется при изготовлении ЭВМ и не подлежит изменению в обычных условиях эксплуатации. В постоянной памяти хранятся часто используемые (универсальные) программы и данные, некоторые программы операционной системы, программы тестирования оборудования ЭВМ и др. При выключении питания содержимое постоянной памяти сохраняется. Такой вид памяти называется ROM (Read Only Memory — память только для чтения), или постоянное запоминающее устройство. Значительная часть программ, хранящихся в ROM, связана с обслуживанием ввода/вывода, поэтому ее называют ROM BIOS (Basic Input-Output System — базовая система ввода/вывода).

Оперативная память, по объему составляющая большую часть внутренней памяти, служит для приема, хранения и выдачи информации. При выключении питания содержимое оперативной памяти в большинстве случаев теряется. Эта память называется оперативной, поскольку работает так быстро, что процессору практически не приходится ждать при чтении данных из памяти или записи в нее. Оперативная память обозначается RAM (Random Access Memory — память с произвольным доступом). Объем установленной в компьютере оперативной памяти определяет, с каким программным обеспечением можно на нем работать. При недостаточном объеме оперативной памяти многие программы либо не будут работать совсем, либо будут работать крайне медленно.

Кэш-память — сверхбыстродействующая память, обеспечивающая ускорение доступа к оперативной памяти на быстродействующих компьютерах. Она располагается между микропроцессором и оперативной памятью и хранит копии наиболее часто используемых участков оперативной памяти. При обращении микропроцессора к памяти сначала производится поиск данных в кэш-памяти. Поскольку время доступа к кэш-памяти в несколько раз меньше, чем к обычной памяти, а в большинстве случаев необходимые микропроцессору данные уже содержатся в кэш-памяти, среднее время доступа к памяти уменьшается.

CMOS-RAM — участок памяти для хранения параметров конфигурации компьютера. Называется так в связи с тем, что эта память обычно выполняется по технологии CMOS, обладающей низким энергопотреблением. Содержимое CMOS-RAM не измеяется при выключении электропитания компьютера. Эта память располагается на контроллере периферии, для электропитания которого используются специальные аккумуляторы. Для изменения параметров конфигурации компьютера в BIOS содержится программа настройки конфигурации компьютера Setup.

Видеопамять в IBM PC-совместимых компьютерах — память, используемая для хранения изображения, выводимого на экран монитора. Эта память обычно входит в состав видеоконтроллера — электронной схемы, управляющей выводом изображения на экран монитора.

Внешняя память предназначена для размещения больших объемов информации и обмена ею с оперативной памятью. Для построения внешней памяти используют энергонезависимые носители информации (диски и ленты), которые являются переносными. Емкость внешней памяти практически не имеет ограничений, а для обращения к ней требуется больше времени, чем к внутренней. ВЗУ по принципам функционирования разделяются на устройства прямого доступа (накопители на магнитных и оптических дисках) и устройства последовательного доступа (накопители на магнитных лентах). Устройства прямого доступа обладают большим быстродействием, поэтому они являются основными внешними запоминающими устройствами, постоянно используемыми в процессе функционирования компьютера. Устройства последовательного доступа используются в основном для резервирования информации.

Устройства ввода/вывода служат для обеспечения общения пользователя с ЭВМ и относятся к периферийным, или внешним устройствам. На рис. 2.3 показаны связи между компьютером и различными периферийными устройствами.

Необходимыми устройствами ввода/вывода являются монитор, клавиатура, мышь.

Монитор принимает изображение от системного блока. Его экран является рабочим полем. С помощью клавиатуры в компьютер вводятся любые тексты, символы, подаются команды и осуществляется управление работой компьютера. Мышь — средство управления курсором на экране монитора.

Сам по себе компьютер не обладает знаниями ни в одной области, все эти знания сосредоточены в программном обеспечении. Программное обеспечение можно разделить на следующие категории.

Рис. 2.3. Связи между компьютером и периферийными устройствами

Системные программы — выполняют функции обеспечения нормальной работы компьютера, его обслуживания и настройки. Среди системных программ особое место занимают операционные системы (ОС) для управления компьютером, запуска программ, обеспечения защиты данных, выполнения различных сервисных функций по запросам пользователя и программ. Каждая ОС состоит как минимум из трех обязательных частей. Ядро, или командный интерпретатор, обеспечивает «перевод» с программного языка на язык машинных кодов. Драйверы расширяют возможности ОС, позволяя ей работать с тем или иным внешним устройством. Драйверы для различных ОС часто поставляются вместе с новыми устройствами или контроллерами. Интерфейс — удобная графическая оболочка, с которой общается пользователь.

Утилиты — комплекты полезных программ, предназначенных для обслуживания и совершенствования работы компьютера.

Тесты — программы для тестирования как программного обеспечения, так и аппаратных ресурсов, которые иногда относят к утилитам.

Прикладные программы — непосредственно обеспечивают выполнение необходимых пользователям работ.

Наиболее популярными из прикладных программ являются офисные программы, посредством которых создаются и редактируются документы в виде текстов, электронных таблиц. В эту группу входят также системы машинного перевода; распознавания текста, графики со сканера; финансовые и бухгалтерские программы, программы для работы с Internet.

К мультимедийным прикладным программам относятся программы для обработки и создания изображений, работы со звуком, а также проигрыватели (плейеры) и программы просмотра (вьюверы). Последние не обеспечивают редактирование звукового или видеофайла, но позволяют проиграть музыкальную композицию или вывести изображение на экран.

К группе профессиональных прикладных программ относятся инструментальные системы программирования, обеспечивающие создание новых программ для компьютера; системы автоматизированного проектирования (CAD); редакторы трехмерной графики и анимации, а также специализированные инженерные и научные программы.

Источник

Устройства ЭВМ

Комплекс технических средств, реализующих функцию памяти, называется запоминающим устройством (ЗУ). ЗУ необходимы для размещения в них команд и данных. Они обеспечивают центральному процессору доступ к программам и информации.

Запоминающие устройства делятся на основную или оперативную память (ОП), сверхоперативную память (СОЗУ), ассоциативную память ( память с выборкой по содержанию) и внешние запоминающие устройства ( ВЗУ ).

Основная память

ОЗУ предназначено для хранения переменной информации. Оно допускает изменение своего содержимого в ходе выполнения процессором вычислительных операций с данными и может работать в режимах записи, чтения, хранения.

Функциональные возможности ОЗУ шире, чем ПЗУ. Но ПЗУ сохраняет информацию при отключении питания (т.е. является энергонезависимой памятью).

В современных ЭВМ микросхемы памяти изготавливают из кремния по полупроводниковой технологии с высокой степенью интеграции элементов на кристалле.

Основной составной частью микросхемы является массив элементов памяти (ЭП), объединенных в матрицу накопителя.

По шине управления передается сигнал, определяющий, какую операцию необходимо выполнить.

По шине данных передается информация, записываемая в память или считываемая из нее.

По шине адреса передается адрес участвующих в обмене элементов памяти (поскольку данные передаются машинными словами, а один ЭП может воспринять только один бит информации, блок элементов памяти состоит из матриц ЭП, где — количество разрядов в машинном слове).

Максимальная емкость памяти определяется количеством линий в шине адреса системной магистрали: если количество линий обозначить , то емкость памяти (т. е. количество элементов памяти, имеющих уни-кальные адреса) определяется как . Так, в IBM PC XT шина адреса СМ содержала 20 линий. Поэтому максимальный объем ОП в этих машинах равен Мбайт. В IBM PC AT (с микропроцессором i80286) СМ содержит 24 линии, поэтому объем ОП мог быть увеличен до 16 Мбайт. Начиная с МП i80386, шина адреса содержит 32 линии. Максимальный объем ОП увеличился до Гб.

Микросхемы элементов памяти динамических ОЗУ отличаются от аналогичных ЭП статических ОЗУ меньшим числом компонентов в одном элементе памяти, в связи с чем имеют меньшие размеры и могут быть более плотно упакованы в кристалле. Однако из-за необходимости регенерации информации динамические ОЗУ имеют более сложные схемы управления.

Сверхоперативная память

Регистр представляет собой электронное устройство, способное хранить занесенное в него число неограниченно долго (при включенном питании). Наибольшее распространение получили регистры на статических триггерах.

Регистры могут быть объединены в единую структуру. Возможности такой структуры определяются способом доступа и адресации регистров.

Если к любому регистру можно обратиться для записи/чтения по его адресу, такая регистровая структура образует СОЗУ с произвольным доступом.

Безадресные регистровые структуры могут образовывать два вида устройств памяти: магазинного типа и память с выборкой по содержанию (ассоциативные ЗУ).

Память магазинного типа образуется из последовательно соединенных регистров (рис.15.2).

В стек может быть загружен в определенной последовательности ряд данных, которые впоследствии считываются из стека уже в обратном порядке. На этом свойстве построена система арифметических преобразований информации, известная под названием «логики Лукашевича».

Ассоциативная память

В микропроцессорах ассоциативные ЗУ используются в составе кэш-памяти для хранения адресной части команд и операндов исполняемой программы. При этом нет необходимости обращаться к ОП за следующей командой или требуемым операндом: достаточно поместить в маску необходимый адрес, и если искомая информация имеется в СОЗУ, то она будет сразу выдана. Обращение к ОП будет необходимо лишь при отсутствии требуемой информации в СОЗУ. За счет такого использования СОЗУ сокращается число обращений к ОП, а это позволяет экономить время.

Кэш-память может быть размещена в кристалле процессора (так называемая «кэш-память I уровня») либо выполнена в виде отдельной микросхемы или модуля, содержащего несколько микросхем (внешняя кэшпамять, или кэш-память II уровня).

Встроенная кэш-память (I уровня) в процессорах Pentium имеет объем 16-32 Кбайт. Внешняя кэш-память (II уровня) имеет объем до 1Гбайта и работает с 64-битными словами.

Источник

БЕЛОРУССКИЙ ИНСТИТУТ ПРАВОВЕДЕНИЯ

Дистанционное образование

А.И.Бородина, Л.И.Крошинская, О.Л.Сапун

ОСНОВЫ ИНФОРМАТИКИ

И ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ

Электронные вычислительные машины.

Персональные компьютеры

Минск

2004

БЕЛОРУССКИЙ ИНСТИТУТ ПРАВОВЕДЕНИЯ

А.И.Бородина, Л.И.Крошинская, О.Л.Сапун

И ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ

Электронные вычислительные машины.

Электронные вычислительные машины.

Персональные компьютеры

ТЕМАТИЧЕСКИЙ ПЛАН

краткая аннотация

Рассматриваются основы организации и функционирования ЭВМ. Дается описание основных элементов процесса вычислений. Приводится классификация ЭВМ по различным признакам. Рассматриваются вопросы классификации персональных ЭВМ, характеристика основных и дополнительных устройств персонального компьютера.

1. Организация
и основы функционирования ЭВМ

Среди всех изобретений человека трудно найти другое, развивающееся столь же динамично, как вычислительная техника. Конструкция вычислительной машины создавалась с учетом тех действий, которые выполняет человек при обработке информации. В самом деле, любому процессу вычислений, который производится человеком, свойственны следующие основные элементы: хранение информации, обработка информации, управление вычислительным процессом.

Хранение информации. Здесь под информацией подразумеваются исходные данные, промежуточные и окончательные результаты счета, а также формулы и способ счета, различного рода условия и т.п. Эта информация человеком частично запоминается, частично записывается на бумаге. Часть информации берется из различных справочников и таблиц. Память человека, бумага, справочники и таблицы являются различными видами запоминающих устройств.

Обработка информации. При обработке информации производится обмен информацией между устройством, предназначенным для выполнения арифметических действий, и запоминающим устройством: исходные данные с листа бумаги переносятся в машину, а затем результат вычислений снова записывается на бумаге или запоминается человеком.

Управление вычислительным процессом. В соответствии с планом вычислений человек производит вычислительные операции в определенной последовательности, каждый раз, решая, какие данные, в каком порядке обрабатывать. Автоматически управляемая вычислительная машина должна быть устроена так, чтобы все перечисленные элементы процесса вычислений осуществлялись в ней без участия человека во время ее работы. В соответствии с этим требованием вычислительная машина должна содержать различные устройства, осуществляющие эти элементы процесса вычислений.

В каждой вычислительной машине должна быть обеспечена возможность сообщить машине (поместить в нее) все необходимое для решения задачи. Чтобы иметь такую возможность, нужно специальное устройство, позволяющее воспринимать информацию из внешнего мира и передать ее в машину. Такое устройство называется устройством ввода.

Информация, которая посредством устройства ввода передается в вычислительную машину, попадает в устройство, которое по аналогии с человеческой памятью называют обычно памятью машины. Иногда слово «память» заменяют словом «запоминающее устройство».

Любая электронная цифровая вычислительная машина имеет оперативную и внешнюю память. Здесь есть аналогия с памятью человека. Несмотря на то, что мозг человека является отличной памятью, мы не можем им ограничиться. Все, что по каким-либо причинам трудно или не нужно держать в памяти, люди фиксируют на бумаге (в виде записных книжек, справочников, книг и др.).

Оперативная память разбивается на части – ячейки памяти. Ячейка – это участок памяти машины, предназначенный для хранения информации, которой может быть либо команда, либо число, либо набор символов, являющихся частью обрабатываемого текста. То есть память можно представить в виде запоминающей среды, состоящей из множества ячеек. Разбиение памяти на ячейки является условным и вызвано удобством обращения к ней. В действительности же ячейки памяти, как правило, не является каким-либо самостоятельным устройством машины.

Информация, записанная в некоторую ячейку, хранится в ней до тех пор, пока в эту же ячейку не будет записана новая информация. При этом все, что хранилось до этого момента в данной ячейке, автоматически уничтожается (стирается). При считывании информации, хранящейся в некоторой ячейке, эта информация продолжает оставаться в ней, т.е. из памяти выдается как бы «копия» данного слова для передачи ее в другие устройства машины, сам же «оригинал» продолжает храниться на прежнем месте.

Расположение информации в памяти определяется адресами (номерами) полей памяти. Каждый адрес служит именем ячейки.

В современных моделях ЭВМ выделяют еще постоянную память (постоянное запоминающее устройство). Постоянная память (ПЗУ) характеризуется тем, что запись информации в ней выполняется на предприятии-изготовителе, после чего любые изменения состояния памяти становятся невозможными.

Но основная цель машины – переработка информации, производство вычислительных и других действий. Устройство машины, предназначенное для этой цели, называется арифметическим устройством. Арифметическое устройство обладает способностью получать информацию, например, в виде чисел, из памяти, производить некоторые операции и отправлять полученные результаты обратно в память.

Однако недостаточно ввести в машину числа, произвести над ними требуемые операции. Нужно, чтобы с этими результатами мог познакомиться человек, иначе работа вычислительной машины теряет смысл. Значит, необходимо каким-то образом преобразовать информацию в доступную для восприятият человеком. Для этой цели в вычислительных машинах предусматривается специальное устройство, которое называется устройством вывода. С помощью устройства вывода обеспечивается передача результатов работы вычислительной машины во внешний мир.

Для связи пользователя с машиной предусмотрена клавиатура. С помощью клавиатуры можно вмешаться в работу и выполнить некоторые другие действия.

Вопросы для самоконтроля

2. Классическая структурная схема ЭВМ и назначение ее основных узлов

В функциональном отношении любая ЭВМ состоит из элементов – узлов и устройств.

Элемент – функциональная единица ЭВМ, выполняющая элементарную операцию над одной или несколькими цифрами и представляющая собой законченную электрическую схему. Примерами могут служить логические элементы, выполняющие функции алгебры-логики: И, ИЛИ, НЕ и др.

Узел – функциональная единица ЭВМ, состоящая из элементов и выполняющая операции над одним или несколькими числами или словами. Примерами могут служить сумматоры, счетчики, дешифраторы и др.

Устройство – функциональная единица ЭВМ, состоящая из элементов и узлов и выполняющая арифметические и логические операции, операции ввода-вывода данных и управления ходом вычислительного процесса. Например арифметические и запоминающие устройства, устройство управления, внешние устройства и другие.

Электронная вычислительная машина – это совокупность устройств, способных выполнять разнообразные арифметические, логические операции и др. без участия человека. Структура вычислительной машины – это отображение состава устройств машины и путей обмена информации между устройствами.

Первая ЭВМ была разработана в 1943 г., быстродействие такой ЭВМ было 5 000 операций сложения в секунду, весила она более 30 тонн и энергии потребляла в 1 000 раз больше, чем персональный компьютер. Состояла она из 18 000 электронных ламп.

Технология изготовления ЭВМ постоянно изменялась, но на протяжении большей части своего существования ЭВМ сохраняла архитектуру, предложенную в 40-х гг. XX в. выдающимся математиком Джоном фон Нейманом. Согласно этой модели все оборудование вычислительной машины разбивается на пять главных элементов:

Модель фон Неймана легла в основу практически всех созданных компьютеров. Джон фон Нейман сформулировал следующие основные принципы функционирования ЭВМ:

Одной из главных концепций Джона фон Неймана была концепция хранимой программы: программа хранится в памяти машины точно так же, как и числа. Это позволяет оперировать с закодированной в двоичном коде программой так же, как и с числами, что дает возможность изменять программу по ходу ее выполнения (этот процесс называется переадресацией).

Джон фон Нейман внес фундаментальный вклад в развитие идей конструирования ЭВМ и программирования. В 1947 г. по его идеям разрабатывались английские машины ЭДВАК и ЭДСАК, а в 1951г. – СЕАК и УНИАК (США). Это был поворотный пункт истории, с которого началось стремительное развитие вычислительной техники. В дальнейшем такие ЭВМ развивались достаточно быстро благодаря использованию новейших достижений науки и техники (рис.1).

Рис.1. Основные элементы ЭВМ

Основными элементами ЭВМ являются:

Процессор выполняет логические и арифметические операции, определяет порядок выполнения операций. Процессор работает под управлением программы. В состав процессора входят:

Арифметико-логическое устройство осуществляет арифметические и логические операции над данными.

Устройство управления отвечает за порядок выполнения команд, из которых состоит программа.

В регистрах общего назначения сохраняются промежуточные результаты расчетов.

Кэш-память служит для повышения быстродействия процессора.

Память предназначена для записи, хранения, выдачи данных. Существуют следующие виды памяти:

Оперативная память
(ОЗУ) используется для кратковременного хранения изменяемой в процессе выполнения процессором вычислительной операции. ОЗУ используется для хранения программ пользователя, исходных данных, выходных и промежуточных данных. При выключении ЭВМ информация, которая хранилась в ОЗУ, теряется.

Постоянная память (ПЗУ) используется для хранения не изменяющейся при работе ЭВМ информации. Такой информацией является, например, тестовая программа, которая стартует при включении ЭВМ и проверяет работоспособность всех устройств, как внутренних, так и внешних, драйверы устройств и др.

Внешняя память (ВЗУ) предназначена для долговременного хранения информации. К устройствам внешней памяти относятся накопители на магнитной ленте, накопители на жестких дисках (винчестер), накопители на гибких дисках (дискеты), накопители на оптических дисках и т.д..

Системная шина используется для передачи информации между процессором и остальными устройствами ЭВМ. Она состоит из:

Данные (в качестве данных могут выступать программы и команды) пересылаются по шине данных по адресам, которые указаны на адресной шине. Шина управления отслеживает, чтобы данные при перемещении не мешали друг другу и перемещались по очереди.

Устройства ввода информации предназначены для ввода информации (данных и команд) с внешнего носителя в память компьютера. К таким устройствам относятся:

Устройства вывода информации осуществляют вывод информации на внешние устройства. К ним относятся:

Вопросы для самоконтроля

3. Классификация ЭВМ

Существует много методов классификации компьютеров, среди которых наиболее распространенным является методов классификации компьютеров по габаритам. По этому принципу различают:

Большие ЭВМ. Это самые мощные компьютеры. Их применяют для обслуживания очень крупных организаций и целых отраслей народного хозяйства. За рубежом компьютеры этого класса называют мэйнфрэймами (mainframe). В России за ними закрепился термин большие
ЭВМ. На базе таких суперкомпьютеров создают вычислительные
центры, включающие несколько отделов или групп. Штат обслуживания большой ЭВМ составляет до многих десятков человек.

Несмотря на широкое распространение персональных компьютеров, роль больших ЭВМ не снижается. Они отличаются высокой стоимостью оборудования и обслуживания, поэтому работа таких суперкомпьютеров организована по непрерывному циклу. Наиболее трудоемкие и продолжительные вычисления планируют на ночные часы, когда количество обслуживающего персонала минимально. При этом для повышения эффективности компьютер работает одновременно с несколькими задачами и, соответственно, с несколькими пользователями. Он поочередно переключается с одной задачи на другую. Такое распределение ресурсов вычислительной системы носит название принципа разделения времени.

Мини-ЭВМ.
От больших ЭВМ компьютеры этой группы отличаются уменьшенными размерами и, соответственно, меньшими производительностью и стоимостью. Такие компьютеры используются крупными предприятиями, научными учреждениями, банками и некоторыми высшими учебными заведениями, сочетающими учебную работу с научной. На промышленных предприятиях мини-ЭВМ управляют производственными процессами. Для организации работы с мини-ЭВМ тоже требуется специальный вычислительный центр, хотя и не такой многочисленный, как для больших ЭВМ.

Микро-ЭВМ. Организации, использующие микро-ЭВМ, обычно не создают вычислительных центров. Для обслуживания такого компьютера им достаточно небольшой вычислительной лаборатории в составе нескольких человек.

Несмотря на относительно невысокую производительность по сравнению с большими ЭВМ, микро-ЭВМ находят применение и в крупных вычислительных центрах. Там они осуществляют вспомогательные операции, для которых не имеетсмысла использовать дорогие суперкомпьютеры.

Персональный компьютер (ПК) – это компьютер, который предназначен для обслуживания одного рабочего места. Бурное развитие персональный компьютер получил в течение последних двадцати лет, так как, несмотря на свои небольшие габариты и относительно невысокую стоимость, он обладает немалой производительностью. По своим возможностям многие современные персональные модели компьютеров превосходят большие ЭВМ 70-х гг., мини-ЭВМ 80-х гг. и микро-ЭВМ первой половины 90-х гг. ПК вполне способен решать задачи большинства малых предприятий и отдельных лиц. В связи с развитием Интернета широкую популярность ПК получили после 1995г.

Вопросы для самоконтроля

4. КЛАССИФИКАЦИЯ ПерсональныХ компьютерОВ

Модели персональных компьютеров условно можно разделить на две категории: бытовые ПК и профессиональные ПК. Но в последние годы границы между профессиональными и бытовыми моделями в значительной степени стерлись. В качестве бытовых нередко используют профессиональные высокопроизводительные модели, а профессиональные модели, в свою очередь, комплектуют устройствами для воспроизведения мультимедийной информации, что ранее было характерно для бытовых устройств. Под термином мультимедиа подразумевается сочетание нескольких видов данных в одном документе (текстовые, графические, музыкальные и видеоданные) или совокупность устройств для воспроизведения этого комплекса данных.

Существуют следующие признаки классификации персональных компьютеров:

Классификация по назначению. С 1999 г. в области персональных компьютеров начал действовать международный сертификационный стандарт – спецификация РС99. Согласно этому стандарту персональные компьютеры делятся на группы, к каждой из которых предъявляются минимальные и рекомендуемые требования. Новый стандарт устанавливает следующие категории персональных компьютеров:

Согласно этому стандарту большинство персональных компьютеров попадают в категорию массовых
ПК. Для деловых ПК минимизированы требования к средствам воспроизведения графики, а к средствам работы со звуковыми данными требования вообще не предъявляются. Для портативных ПК обязательным является наличие средств для создания соединений удаленного доступа, т.е. средств компьютерной связи. В категории рабочих станций повышены требования к устройствам хранения данных, а в категории развлекательных
ПК – к средствам воспроизведения графики и звука.

Классификация по уровню специализации. По уровню специализации компьютеры делятся на:

Универсальные компьютеры решают широкий круг задач и могут быть произвольной конфигурации.

Специализированные компьютеры предназначены для решения конкретного круга задач. К таким компьютерам относятся, например, бортовые компьютеры автомобилей, судов, самолетов, космических аппаратов. Компьютеры, интегрированные в бытовую технику, например в стиральные машины, СВЧ-плиты и видеомагнитофоны, тоже относятся к специализированным.

Графические станции – это специализированные ПК, предназначенные для работы с графикой. Их используют при подготовке кино- и видеофильмов, в издательских отделах, а также для подготовки рекламной продукции.

Файловые серверы – это специализированные компьютеры, объединяющие компьютеры предприятия в одну локальную сеть.

Сетевыми
серверы — это компьютеры, обеспечивающие передачу информации между различными участниками всемирной компьютерной сети Интернет.

Грань между универсальными и специализированными компьютерами порой незначительна, так как во многих случаях с задачами специализированных компьютерных систем могут справляться и обычные универсальные компьютеры.

Классификация по типоразмерам. По типоразмерам персональные компьютеры делятся на:

Настольные модели распространены наиболее широко. Они отличаются простотой изменения конфигурации за счет несложного подключения дополнительных внешних устройств или установки дополнительных внутренних компонентов.

Портативные
модели компьютеров можно использовать в качестве средства связи. Если подключить такой компьютер к телефонной сети (при наличии модема), то можно из любой географической точки установить обмен данными между ним и центральным компьютером своей организации. Для работы в стационарных условиях портативные компьютеры не очень удобны, но их можно использовать как системный блок, подключив к нему монитор, клавиатуру, мышь настольного компьютера.

Карманные
модели позволяют хранить оперативные данные и получать к ним быстрый доступ. Некоторые карманные модели имеют жестко встроенное программное обеспечение, что облегчает непосредственную работу, но снижает гибкость в выборе прикладных программ.

Классификация по совместимости. Существует множество различных видов и типов компьютеров, которые выпускаются разными фирмами и работают с разным программным обеспечением. Поэтому очень важным вопросом становится совместимость различных компьютеров между собой. От совместимости зависят взаимозаменяемость узлов и приборов, предназначенных для разных компьютеров, возможность переноса программ с одного компьютера на другой и возможность совместной работы разных типов компьютеров с одними и теми же данными.

По аппаратной совместимости
различают так называемые аппаратные
платформы. В области ПК сегодня наиболее широко распространены две аппаратные платформы:

Принадлежность компьютеров к одной аппаратной платформе повышает совместимость между ними, а принадлежность к разным платформам – понижает.

Кроме аппаратной совместимости существуют и другие виды совместимости:

Вопросы для самоконтроля

5. Характеристика основных устройств
ПЕРСОНАЛЬНОГО КОМПЬЮТЕРА

Персональный компьютер – универсальная техническая система. Его конфигурацию (состав оборудования) можно гибко изменять по мере необходимости. Тем не менее, существует понятие базовой конфигурации, которая считается типовой. В таком комплекте компьютер обычно поставляется. В состав базовой конфигурации входят следующие устройства:

Системный блок. Системный блок представляет собой основной узел, внутри которого установлены наиболее важные компоненты. Устройства, находящиеся внутри системного блока, называют внутренними, а устройства, подключаемые к нему снаружи, называют внешними
или
периферийными.

По внешнему виду системные блоки различают формой корпуса. Корпуса персональных компьютеров выпускают в горизонтальном (desktop) и вертикальном (tower) исполнении.

В состав системного блока входят:

Материнская плата. Материнская плата – основная плата персонального компьютера. На ней размещаются:

Процессор – это основная микросхема компьютера, в которой и производятся вычисления. Конструктивно процессор состоит из ячеек, данные в которых могут не только храниться, но и изменяться. Внутренние ячейки процессора называют регистрами.

Совокупность всех возможных команд, которые может выполнить процессор над данными, образует так называемую систему команд процессора. Процессоры, относящиеся к одному семейству, имеют одинаковые или близкие системы команд. Процессоры, относящиеся к разным семействам, различаются по системе команд.

Если два процессора имеют одинаковую систему команд, то они полностью совместимы на программном уровне. Это значит, что программа, написанная для одного процессора, может исполняться и другим процессором. Процессоры, имеющие разные системы команд, как правило, несовместимы или ограниченно совместимы на программном уровне.

Группы процессоров, имеющих ограниченную совместимость, рассматривают как семейство процессоров. Например, все процессоры Intel Pentium относятся к так называемому семейству х86. Родоначальником этого семейства был процессор Intel 8086, на базе которого собиралась первая модель компьютера IBM PC. Позже выпускались процессоры Intel 80286, Intel 80486, Intel Pentium 133, 166, Intel Pentium ММХ, Intel Celeron, Intel Pentium III, Intel Pentium IV и т.д. Для всех этих процессоров действует принцип совместимости от более позднего к более раннему, т.е. каждый новый процессор понимает все команды своих предшественников, но не наоборот.

Оперативная память (RAM – Random Access Memory) – это массив кристаллических ячеек, способных хранить данные. С точки зрения физического принципа действия, различают динамическую память (DRAM) и статическую память (SRAM). Микросхемы динамической памяти используют в качестве основной оперативной памяти компьютера. Микросхемы статической памяти используют в качестве вспомогательной памяти (так называемой кэш-памяти), предназначенной для оптимизации работы процессора.

Представление о том, сколько оперативной памяти должно быть в типовом компьютере, непрерывно меняется. В середине 80-х гг. поле памяти размером 1 Мбайт казалось огромным, в начале 90-х годов достаточным считался объем 4 Мбайт. К середине 90-х гг. он увеличился до 8 Мбайт, а затем до 16 Мбайт. Сегодня минимальным считается размер оперативной памяти 64 Мбайт, а обычным – 128 Мбайт. Очень скоро и эта величина будет превышена в несколько раз.

Оперативная память в компьютере размещается на стандартных панелях, называемых модулями. Модули оперативной памяти вставляются в соответствующие разъемы на материнской плате.

Конструктивно модули памяти имеют два исполнения – однорядные (SIMM-модули) и двухрядные (DIMM-модули). Многие модели материнских плат имеют разъемы, как того, так и другого типа, но комбинировать на одной плате модули разных типов нельзя. SIMM-модули поставляются объемами 4, 8, 16, 32 Мбайт, а DIMM-модули – 16, 32, 64, 128 Мбайт.

Постоянная память (ПЗУ) и система BIOS. В момент включения компьютера в его оперативной памяти нет ничего – ни данных, ни программ, поскольку оперативная память не может ничего хранить без подзарядки. Но процессору нужны команды, в том числе и в первый момент после включения. Поэтому сразу после включения происходит считывание команд с ПЗУ (постоянное запоминающее устройство). Микросхема ПЗУ длительное время хранит информацию, даже когда компьютер выключен. Программы, находящиеся в ПЗУ, называют «зашитыми» – их записывают туда на этапе изготовления микросхемы.

Комплект программ, входящих в ПЗУ, образует базовую систему ввода—вывода
(BIOS – Basic Input Output System). Основное назначение программ этого пакета состоит в том, чтобы проверить состав и работоспособность компьютерной системы и обеспечить взаимодействие с клавиатурой, монитором, жестким диском и дисководом гибких дисков. Программы, входящие в BIOS, позволяют наблюдать на экране диагностические сообщения, сопровождающие запуск компьютера, а также вмешиваться в ход запуска с помощью клавиатуры.

Шины. С остальными устройствами компьютера, в первую очередь с оперативной памятью, процессор связан группами проводников, которые называются шинами. Существует три основные шины: шина данных, адресная шина, командная шина. У процессоров Intel 32-разрядная адресная шина, т.е. она состоит из 32 параллельных линий. Комбинация из 32 нулей и единиц образует 32-разрядный адрес, который указывает на одну из ячеек оперативной памяти. По шине данных происходит обмен информацией между оперативной памятью и процессором. По шине команд поступают команды в процессор также из оперативной памяти, но не из той области, где хранятся данные, а из той, где хранятся программы.

Жесткий диск. Жесткий диск (винчестер) – это устройство для долговременного хранения больших объемов данных и программ. На самом деле, это не один диск, а группа соосных дисков, имеющих магнитное покрытие и вращающихся на валу с высокой скоростью. Управление работой жесткого диска выполняет специальное аппаратно-логическое устройство – контроллер жесткого диска.

К основным параметрам жестких дисков относятся емкость и производительность. Емкость дисков зависит от технологии их изготовления. В настоящее время большинство производителей жестких дисков используют разработанную компанией IBM технологию. Теоретический предел емкости одной пластины, исполненной по этой технологии, составляет порядка 20 Гбайт. В настоящее время технологический уровень приближается к 10 Гбайт на пластину.

При обращении к жесткому диску необходимо указать его имя. Это имя С:. Независимо от конфигурации компьютера это имя жестко закреплено. Иногда для удобства работы пользователя, или когда на одном компьютере работает несколько пользователей, жесткий диск разбивают специальной программой на несколько логических дисков. Каждый пользователь может работать с выделенным для него логическим диском. Имена логических дисков – латинские буквы, следующие по алфавиту за буквой С:. Например, если винчестер разбит на два логических диска, то их имена будут С: и D:, если на три – C: D: E: и т.д.

Дисковод гибких дисков. Данные на жестком диске могут храниться годами, однако иногда требуется их перенос с одного компьютера на другой. Для небольших объемов данных используют так называемые гибкие
диски (дискеты), которые вставляют в специальный накопитель – дисковод. Имя этого дисковода А:. Это имя так же, как и имя винчестера, жестко закреплено.

Первый компьютер IBM PC был выпущен в 1981 г. К нему можно было подключить внешний накопитель, использующий односторонние гибкие диски диаметром 5,25 дюйма. Емкость диска составляла 160 Кбайт. В следующем году появились аналогичные двусторонние диски емкостью 320 Кбайт. Начиная с 1984 г. выпускались гибкие диски 5,25 дюйма высокой плотности (1,2 Мбайт). В наши дни диски размером 5,25 дюйма не используются, и соответствующие дисководы в базовой конфигурации персональных компьютеров после 1994 г. не поставляются.

Гибкие диски размером 3,5 дюйма выпускают с 1980г. В настоящее время стандартными считают диски размером 3,5 дюйма высокой плотности. Они имеют емкость 1,4 Мбайт и маркируются буквами HD (high density – высокая плотность).

Гибкие диски – ненадежные носители данных. Пыль, грязь, влага, температурные перепады и внешние электромагнитные поля могут стать причиной частичной или полной утраты записей, хранящихся на гибком диске. Поэтому использовать гибкие диски в качестве основного средства архивного хранения данных нельзя. Их в основном применяют только для транспортировки данных с одного компьютера на другой.

Дисковод компакт-дисков CD-ROM. В период 1994-1995гг. в базовую конфигурацию персональных компьютеров перестали включать дисководы гибких дисков диаметром 5,25 дюйма, но вместо них ввели накопители CD-ROM, имеющие такие же внешние размеры.

Аббревиатура CD-ROM (Compact Disc Read-Only Memory) переводится на русский язык как постоянное
запоминающее устройство на основе компакт-диска. Принцип действия этого устройства состоит в считывании числовых данных с помощью лазерного луча, отражающегося от поверхности диска. Цифровая запись на компакт-диске отличается очень высокой плотностью, и диск может хранить примерно 650 Мбайт данных.

Большие объемы данных характерны для мультимедийной информации (графика, музыка, видео), поэтому дисководы CD-ROM относят к аппаратным средствам мультимедиа.

Основным недостатком стандартных дисководов CD-ROM является невозможность записи данных, но параллельно с ними существуют и устройства многократной записи CD-RW (Compact Disc Recorder-Writer).

Основным параметром дисководов CD-ROM является скорость чтения данных. За единицу измерения принята скорость чтения в первых серийных образцах, составляющая 150 Кбайт/с. В настоящее время наибольшее распространение имеют устройства чтения CD-ROM с производительностью 32х-48х (х – единица измерения скорости, равная 150 Кбайт/с). Современные образцы устройств однократной записи имеют производительность 4х-8х, а устройства многократной записи – до 4х.

Имя дисковода для чтения компакт-диска жестко не закреплено. При установке операционной системы дисководу присваивается имя D:, если винчестер не разбит на логические диски. Если винчестер разбит на несколько логических дисков, то в качестве имени дисководу присваивается латинская буква, следующая за буквой последнего имени логического диска. Например, если винчестер разбит на два диска C: и D:, то CD-ROM имеет имя E:.

Видеокарта (видеоадаптер). Все операции, связанные с построением изображения, выделены в отдельный блок, который называется видеоадаптером. Он выполнен в виде отдельной дочерней платы, которая вставляется в один из слотов материнской платы, и называется видеокартой. В настоящее время применяются видеоадаптеры SVGA, обеспечивающие по выбору воспроизведение до 16,7 миллионов цветов с возможностью произвольного выбора разрешения экрана из стандартного ряда значений (640 х 480, 800 х 600, 1024 х 768 точек и т.д.).

Звуковая карта. Звуковая карта явилась одним из наиболее поздних усовершенствований персонального компьютера. Она подключается к одному из слотов материнской платы в виде дочерней платы и выполняет вычислительные операции, связанные с обработкой звука, речи, музыки. Звук воспроизводится через внешние звуковые колонки, подключаемые к выходу звуковой карты. Имеется также разъем для подключения микрофона, что позволяет записывать речь или музыку и сохранять их на жестком диске для последующей обработки и использования.

Монитор. Монитор (дисплей) – это устройство визуального представления данных. Его основными параметрами являются:

Размер экрана. Единица измерения – дюйм. Измеряется по диагонали. Стандартные размеры: 14″; 15″; 17″; 19″; 20″; 21″. В настоящее время наиболее распространенными являются мониторы размером 15 и 17 дюймов. Для операций с графикой наиболее распространены мониторы размером 19-21 дюйм.

Разрешение экрана. Чем разрешение экрана выше, тем больше информации можно отобразить на экране, но тем меньше размер каждой отдельной точки и, соответственно, тем меньше видимый размер элементов изображения. Для каждого размера монитора существует свое оптимальное разрешение экрана, которое должен обеспечивать видеоадаптер.

Размер монитора

Оптимальное разрешение экрана

Источник