Необходимость появления и развития средств вычислительной техники
Тема 6. АППАРАТНЫЕ СРЕДСТВА РЕАЛИЗАЦИИ ИНФОРМАЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ
1. ЭВМ: понятие, архитектура, принципы фон Неймана.
2. Необходимость появления и развития средств вычислительной техники.
3. Классификация ЭВМ.
4. Устройство персональных ЭВМ.
5. Системный блок ПК: назначение, составные элементы и их характеристики.
6. Внешняя память ПК.
7. Устройства ввода и вывода персональных ЭВМ.
8. Принтеры: назначение, устройство, виды.
9. Устройства связи.
10. Внешняя память.
ЭВМ: понятие, архитектура, принципы фон Неймана
«Архитектура - это наиболее общие принципы построения ЭВМ, реализующие программное управление работой и взаимодействием основных ее функциональных узлов».
Применительно к вычислительной технике архитектура определяет состав, назначение, логическую организацию и порядок взаимодействия всех аппаратных и программных средств, объединенных в единую вычислительную систему. Одинаковая архитектура разных компьютеров обеспечивает их совместимость.
Архитектуру компьютера следует отличать от его структуры. Структура определяет конкретный набор устройств, узлов, блоков, входящих в состав компьютера, тогда как архитектура определяет правила взаимодействия составных частей компьютера.
В архитектуре ЭВМ выделяются три составляющие, представленные на рисунке 4.20.
Рис. 4.20, Составляющие архитектуры персональной ЭВМ
|
|
|
Основы учения об архитектуре вычислительных машин заложил Джон фон Нейман.
В ставшей классической статье «Предварительное рассмотрение логической конструкции электронно-вычислительного устройства» убедительно обосновывается использование двоичной системы для представления чисел (ранее все вычислительные машины хранили обрабатываемые числа в десятичном виде). Здесь убедительно продемонстрированы преимущества двоичной системы для технической реализации, удобство и простота выполнения в ней арифметических и логических операций. В дальнейшем ЭВМ стали обрабатывать и нечисловые виды информации - текстовую, графическую, звуковую и другие, но двоичное кодирование данных по-прежнему составляет информационную основу любого современного компьютера.
Еще одной поистине революционной идеей, значение которой трудно переоценить, является предложенный Нейманом принцип «хранимой программы». Первоначально программа задавалась путем установки перемычек на специальной коммутационной панели. Это было весьма трудоемким занятием. Нейман первым догадался, что программа может также храниться в виде набора нулей и единиц, причем в той же самой памяти, что и обрабатываемые ею числа. Команды программы подаются, как и данные, в виде чисел и обрабатываются так же, как и числа, а сама программа перед выполнением загружается в оперативную память, что ускоряет процесс ее выполнения.
|
|
|
Принцип программного управления. Для решения каждой задачи составляется программа, которая определяет последовательность действий компьютера.
Принцип произвольного доступа к памяти. Программы и данные записываются в произвольное место оперативной памяти, что позволяет обратиться по любому заданному адресу к требуемому участку памяти.
Адресный принцип. В команде указываются не сами числа, над которыми нужно выполнять арифметические действия, а адреса ячеек памяти, где эти числа находятся.
Автоматизм. После ввода программы и данных машина работает автоматически, выполняя предписания программы без вмешательства человека. Для этого машина запоминает адрес выполняемой команды, а каждая команда содержит указание об адресе следующей команды. Указание может быть одним из трех типов: неявным (перейти к команде, следующей по адресу за выполняемой), безусловным (перейти к команде по заданному адресу), условным (проверить заданное условие и в зависимости от его выполнения перейти к команде по тому или иному адресу).
|
|
|
Переадресация. Адреса ячеек памяти, указанные в команде, можно вычислять и преобразовывать как числа.
Разработанные фон Нейманом основы архитектуры вычислительных устройств оказались настолько фундаментальными, что получили в литературе название «фон-неймановской архитектуры». 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 (примерами могут служить потоковая и редукционная вычислительные машины).
По-видимому, значительное отклонение от фон-неймановской архитектуры произойдет в результате развития идеи машин пятого поколения, в основе обработки информации в которых лежат не вычисления, а логические выводы.
Фон Нейман не только выдвинул основополагающие принципы логического устройства ЭВМ, но и предложил ее структуру, которая воспроизводилась в течение первых двух поколений ЭВМ. Основными блоками по Нейману являются устройство управления (УУ) и арифметико-логическое устройство (АЛУ) (обычно объединяемые в центральный процессор), оперативная память (ОЗУ), внешняя память (ПЗУ), устройства ввода и вывода.
|
|
|
В современных персональных компьютерах классическая архитектура фон Неймана значительно усовершенствована, хотя и сохраняет общие черты.
Новшеством архитектуры современных персональных компьютеров является использование специализированных процессоров для управления отдельными периферийными устройствами, например, видеоадаптером. В архитектуре персонального компьютера появился сопроцессор — устройство, функционирующее параллельно с главным процессором и выполняющее специальные операции, например, математически и сопроцессор, используется для выполнения сложных математических вычислений.
В современных персональных компьютерах реализован еще один принцип — принцип открытой архитектуры. Он заключается в том, что устройства, непосредственно участвующие в обработке информации (процессор, сопроцессор, оперативная память), соединяются с остальными устройствами единой магистралью — шиной.
Устройства, связанные с процессором через шину, а не напрямую, называют периферийными.
Принцип открытой архитектуры позволяет:
• выбрать конфигурацию компьютера;
• расширить конфигурацию;
• модернизировать конфигурацию.
Конфигурация компьютера определяется составом устройств, подключенных к нему.
Изменения архитектуры компьютеров обусловлены стремлением повышения качества и производительности персональных компьютеров. Именно поэтому в архитектуре персональной ЭВМ появилась кэш-память. Аналогично для повышения производительности компьютера в его архитектуру введены каналы прямого доступа к оперативной памяти, которые используются для обмена данными с устройствами ввода-вывода, минуя микропроцессор. Периферийные устройства подключаются к аппаратуре компьютера через специальные контроллеры — устройства управления периферийными устройствами, освобождая процессор от непосредственного управления данным оборудованием.
Необходимость появления и развития средств вычислительной техники
Необходимость появления и развития средств вычислительной техники связаны с деятельностью человеческого общества.
Первая электронно-вычислительная релейная машина была создана в 1944 г. в США (Марк-1).
Первая ЭВМ на электронных лампах также была создана в США в 1945 г. (ЭНИАК).
Первая отечественная ЭВМ была создана под руководством академика С.А. Лебедева в 1951 году (МЭСМ).
ЭВМ, в отличие от обычных машин, расширяющих физические возможности человека в процессе трудовой деятельности, являются его интеллектуальным помощником.
В процессе своей работы ЭВМ осуществляет следующие основные функции:
■ ввод данных;
■ хранение данных;
■ обработка данных;
■ ввод данных в виде, доступном для восприятия человеком.
Особенностью ЭВМ является автоматическое выполнение обработки данных, под управлением загруженных в её память программы.
Вычислительные машины открыли новые возможности автоматической обработки информации, со скоростью, превышающей скорость обработки информации человеком в миллионы раз.
В настоящее время электронно-вычислительная техника применяется во всех областях человеческой деятельности. Основными направлениями применения ЭВМ можно назвать следующие.
* автоматизация различных расчетов (экономических, инженерных и т.п.) и управление технологическими процессами;
* создание автоматизированных информационных систем и сетей;
* игровые, обучающие программы и управление бытовой техникой.
Научно-технический прогресс привел к созданию разнообразных вычислительных средств: электронных вычислительных машин (ЭВМ), вычислительных систем и компьютерных сетей.
ЭВМ (компьютер)- это устройство, предназначенное для программируемой обработки данных и их хранения.
Выполнение указанных ранее функций ЭВМ осуществляется отдельными функциональными подсистемами:
*подсистемой ввода-вывода данных;
*подсистемой обработки данных;
* подсистемой хранения данных.
Все подсистемы с помощью системной шины связаны между собой. Каждая подсистема представлена определённым набором устройств ЭВМ. Так, например, подсистема ввода-вывода данных представлена устройствами ввода -вывода, подсистема обработки данных - процессором, подсистема хранения данных - оперативной и внешней памятью.
Различия задач для ЭВМ в разных сферах человеческой деятельности привели к разнообразию видов выпускаемых ЭВМ. Классификацию ЭВМ можно рассматривать в различных направлениях.
Классификация ЭВМ
ЭВМ принято классифицировать по целому ряду признаков, в частности: по функциональным возможностям, принципу действия, назначению, способам организации вычислительного процесса, размерам и вычислительной мощности, конструктивным особенностям.
Кроме этого, ЭВМ классифицируются по поколениям.
По способу организации вычислительного процесса ЭВМ подразделяются на многопроцессорные и однопроцессорные, а также параллельные и последовательные.
В зависимости от функциональных возможностей и областей применения вычислительные средства принято делить на:
* универсальные (общего назначения) ЭВМ;
* проблемно-ориентированные ЭВМ;
* специализированные ЭВМ.
Универсальные ЭВМ — предназначены для решения самых разных инженерно-технических задач, отличающихся сложностью алгоритмов и большим объемом обрабатываемых данных. Такие ЭВМ, как правило, обладают развитой системой команд. Они имеют многоуровневую систему прерывания, динамическую организацию памяти и позволяют работать в различных режимах: пакетном, диалоговом, в реальном масштабе времени и т.п.
Проблемно-ориентированные ЭВМ — предназначены для решения более узкого круга задач, связанных с регистрацией, накоплением и обработкой небольших объемов данных.
СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫЕ ЭВМ предназначены для реализации какого-либо алгоритма или для решения одного определённого класса задач. Современные специализированные ЭВМ создаются на основе микропроцессорных комплектов БИС или СБИС и представляют собой функционально-ориентированные информационно-измерительные комплексы (микропроцессоры и контроллеры, выполняющие функции управления техническими устройствами, например, бортовые ЭВМ).
В зависимости от функциональных возможностей и основных параметров вычислительные средства обработки информации принято делить на следующие классы: (супер-ЭВМ) большие, малые (мини-ЭВМ) и микроЭВМ (см вставку).
Персональные компьютеры являются наиболее массовыми и широко используемыми ЭВМ. Несмотря на свои небольшие размеры, они вобрали в себя все черты ЭВМ и полностью отражают архитектуру и принципы построения ЭВМ.
С 1999 года для классификации ПК используется международный сертификационный стандарт — спецификация РС99. В соответствии с этой спецификацией ПК делятся на следующие группы:
• массовые ПК (Consumer PC);
• деловые ПК (Office PC);
• портативные ПК (Mobile PC);
• рабочие станции (Workstation);
• развлекательные ПК (Entertaiment PC).
Большинство ПК относятся к массовым и включают стандартный (минимально необходимый) набор аппаратных средств.
Деловые ПК включают минимум средств воспроизведения графики и звука.
Портативные ПК отличаются наличием средств коммуникации отдаленного доступа.
Рабочие станции отвечают повышенным требованиям к объемам памяти устройств хранения данных.
Развлекательные ПК ориентированы на высококачественное воспроизведение графики и звука.
По конструктивным особенностям ПК классифицируются так:
• стационарные;
—настольные ПК (Desktop)
• переносимые:
—портативные (Laptop);
—блокнотные (Notebook);
—карманные (Palmtop).
Наиболее распространенными являются настольные ПК, которые позволяют легко изменять конфигурацию.
Портативные компьютеры удобны для пользования, имеют средства компьютерной связи. Системный блок, монитор и клавиатура портативных ПК размещены в одном корпусе: системный блок находится под клавиатурой, а монитор встроен в крышку.
Карманные модели называют «интеллектуальными» записными книжками, так как позволяют хранить оперативные данные и получать к ним быстрый доступ.
По аппаратной совместимости ПК делятся:
• на IBM PC совместимые;
• Apple Macintosh.
Устройство персональных ЭВМ
1. Общие сведения об устройстве ПК
ПЭВМ является машиной индивидуального пользования. Это общедоступный и универсальный инструмент, многократно повышающий производительность интеллектуального труда специалистов различного профиля. ПЭВМ предназначена для автономной работы в диалоговом
режиме с пользователем. Общедоступность ПЭВМ определяется сравнительно низкой стоимостью, компактностью, отсутствием
специальных требований как к условиям эксплуатации, так и к степени подготовленности пользователя. Универсальность связана с ориентацией ПЭВМ на широкий круг задач решаемых одним пользователем с помощью удобных технических и программных средств. Комплекс аппаратуры ПЭВМ размещается на рабочем месте пользователя.
Основой ПЭВМ является микропроцессор (МП). Развитие техники и технологии микропроцессоров определило смену поколений ПЭВМ:
- первое поколение (1975-1980 гг.) -на базе 8-разрядного МП;
- второе поколение (1981-1985 гг.) -на базе 16-разрядного МП;
- третье поколение (1986-1992 гг.) -на базе 32-разрядного МП;
- четвёртое поколение (1993 г. -по настоящее время) - на базе 64- разрядного МП.
Архитектура современных персональных компьютеров (ПК) основана на магистрально-модульном принципе. Компьютер состоит из разрозненных частей - модулей. Модулем ПК будем называть любое относительно самостоятельное устройство компьютера (процессор, оперативная память, контроллер, дисплей, принтер, сканер и т.д.)
Аппаратные средства ПК являются составной частью их архитектуры. Под аппаратными средствами компьютера понимается набор электронных устройств, обеспечивающих его работу.
Существующие разновидности ПК (настольные, портативные, карманные) объединяет общность структуры аппаратных средств, что обусловлено сходными принципами их работы:
• для ввода данных в компьютер должно быть хотя бы одно устройство ввода, например, клавиатура, мышь или световое перо;
• для временного хранения программ и обрабатываемых в текущий момент данных необходима оперативная память;
• для длительного хранения большого объема данных должны быть дополнительные накопители;
• для выдачи результатов обработки данных должен быть дисплей (монитор) или другие устройства вывода.
Минимальный набор аппаратных средств, без которых невозможен запуск и работа ПК, определяет его базовую конфигурацию.
В базовую конфигурацию ПК входят системный блок, монитор, клавиатура и ручной манипулятор — мышь.
Дата добавления: 2021-12-10; просмотров: 25; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!