10.1 Принципы работы компьютера

Урок 10-1. Принципы работы компьютера

В каждой области науки и техники существуют фундаментальные идеи и принципы (основное, исходное положение какой-нибудь теории, учения, науки и пр.), определяющие на многие годы вперед ее содержание и направление развития. В компьютерных науках роль таких фундаментальных идей сыграли принципы, сформулированные независимо друг от друга двумя крупнейшими учеными XX века — Джоном фон Нейманом и Сергеем Алексеевичем Лебедевым.

Основополагающие принципы построения компьютеров Неймана – Лебедева

- базовые принципы построения ЭВМ, сформулированные в середине прошлого века, не утратившие свою актуальность и в наши дни:

• с остав основных компонентов вычислительной машины: Любое устройство, предназначенное для автоматических вычислений, должно содержать: блок обработки данных, блок управления, блок памяти и блоки ввода/вывода информации.

• принцип двоичного кодирования: Любая информация, предназначенная для обработки на компьютере, а также и программы, представляются в виде двоичного кода, т. е. последовательности нулей и единиц.

• принцип однородности памяти: Программы и данные хранятся в одной и той же памяти.

• принцип адресности памяти: Память состоит из пронумерованных ячеек, и процессору в любой момент времени доступна любая ячейка.

• принцип иерархической организации памяти: Используется несколько различных видов памяти, связанных друг с другом.

• принцип программного управления: Выполнение программ происходит автоматически, без вмешательства человека.

Архитектура фон Неймана является классической архитектурой компьютеров, которая была разработана Джоном фон Нейманом в 1945 году. Большинство современных персональных компьютеров основаны на данной архитектуре, так как она определяет структуру и организацию (компоненты и связи между ними) компьютера: центральный процессор, оперативную память, внешние устройства ввода и вывода информации и систему коммуникации между ними. Это справедливо и для персональных компьютеров, и для суперкомпьютеров.

В масштабе предприятия и веб-сервера также используют архитектуру фон Неймана. Это позволяет эффективно обрабатывать запросы, выполнять вычисления и хранить данные. Она также используется в различных гаджетах, таких как микроконтроллеры, устройства управления, автомобильные системы, устройства умного дома и др. В облачных вычислениях архитектура фон Неймана является основой для организации и управления вычислительными ресурсами.

Архитектура фон Неймана остается одной из самых важных и распространенных архитектур в современных компьютерных системах.

Практически в то же самое время Сергей Алексеевич Лебедев предлагает свой подход, имеющий некоторые отличия, хотя реализуемый на таких же принципах. Советский ученый разработал и реализовал несколько значимых компьютерных систем, включая БЭСМ (Большая электронно-счетная машина) и «Эльбрус». БЭСМ, созданная в 1950-х годах, была одной из первых вычислительных машин в мире, способной выполнять параллельные вычисления. Она была основана на принципах, аналогичных архитектуре фон Неймана, но имела некоторые отличия и дополнительные возможности. Из проекта БЭСМ затем появился проект МЭСМ (Малая электронно-счетная машина) «Сетунь» на основе троичной (а не двоичной) логики. Она была разработана в вычислительном центре Московского государственного университета в 1959 году под руководством Николая Петровича Брусенцова.

«Эльбрус» — это серия суперкомпьютеров и микропроцессоров, разработанных Лебедевым и его коллегами в 1970-х годах. Она также была ориентирована на высокую производительность и эффективность при выполнении параллельных вычислений.

О сновные компоненты компьютера: 

Процессор. Обрабатывает данные и управляет работой других компонентов. 

Материнская плата. Соединяет все компоненты ПК и обеспечивает их взаимодействие. 

Видеокарта. Отвечает за обработку графических данных и вывод изображения на монитор. 

Оперативная память. Хранит временные данные, которые затем обрабатываются процессором.

Жёсткий диск или SSD. Отвечает за хранение операционной системы, программ и всех других файлов.

Блок питания.  Предоставляет электроэнергию всем компонентам компьютера.

Внешние устройства ввода. Преобразуют сигнал в данные, пригодные для обработки на компьютере или управления.

Внешние устройства вывода. Предоставляют пользователю информацию, обработанную процессором.

Состав и характеристики компонентов могут различаться в зависимости от типа компьютера (настольного, ноутбука, сервера) и его предназначения.

Практическое задание 1: «Характеристики компьютера»