Основополагающие принципы устройства ЭВМ

ОСНОВОПОЛАГАЮЩИЕ ПРИНЦИПЫ УСТРОЙСТВА ЭВМ

КОМПЬЮТЕР И ЕГО ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ

Ключевые слова

• принципы компьютерных наук
• адресность памяти
• программное управление
• архитектура компьютера
• магистраль
• шина
• контроллер

Принципы Неймана-Лебедева

Фундаментальные идеи (принципы) компьютерных наук независимо друг от друга сформулировали Джон фон Нейман и Сергей Алексеевич Лебедев.

Принцип — основное, исходное положение какой-нибудь теории, учения, науки и пр.

!

Основоположники ЭВМ

Джон фон Нейман (1903-1957) –американский учёный, сделавший важный вклад в развитие математики и физики. В 1946 г. , анализируя сильные и слабые стороны ЭНИАКа , совместно с коллегами пришёл к идее нового типа организации ЭВМ.

Сергей Алексеевич Лебедев (1902–1974) - главный конструктор первой отечественной вычислительной машины МЭСМ , автор проектов компьютеров серии БЭСМ (Большая Электронная Счётная Машина), и принципиальных положений компьютера « Эльбрус ».

Принципы Неймана-Лебедева

Сформулированные в середине прошлого века, базовые принципы построения ЭВМ не утратили свою актуальность и в наши дни.

состав основных компонентов вычислительной машины

1

принцип двоичного кодирования

2

принцип однородности памяти

3

принцип адресности памяти

4

принцип иерархической организации памяти

5

принцип программного управления

6

1100101

1100101

11001

110001

Функциональная схема

Устройство, способное производить автоматические вычисления, должно иметь набор компонентов: блок обработки данных, блок управления, блок памяти, блоки ввода/вывода информации.

!

Устройство

вывода

110010111011000

Внешняя

Процессор

Память

АЛУ, УУ

память

ОЗУ, ПЗУ

110010111011000

110010111011000

110010111011000

110010111011000

110010111011000

110010111011000

110010111011000

Устройство

ввода

Управление процессами

Информационные потоки

Состав компонентов

Процессор - информационный центр. Управляет всеми процессами и пропускает через себя все информационные потоки.

Составные блоки процессора :

• арифметико-логическое устройство (АЛУ), выполняет обработку данных
• устройство управления (УУ), обеспечивает выполнение программы и организующего согласованное взаимо-действие всех узлов компьютера

Состав компонентов

Память

хранение исходных данных, промежуточных величин и результатов обработки информации, программы обработки информации

Внутренняя

ОЗУ

Внешняя

временное хранение программ и данных в процессе обработки

ПЗУ

предназначена для длительного хранения программ и данных в периоды между сеансами обработки

программа начальной загрузки компьютера.

Комментарии :

При отключении источника энергии вся информация, содержащаяся в оперативной памяти (ОЗУ) пропадет. ОЗУ – энергозависимая память.

Кроме представленного деления памяти, различают энергозависимую память и энергонезависимую. Какая часть памяти является энергозависимой?

?

8

Алгоритмы обработки информации

Состав компонентов

Указательные (координатные)

П

Р

О

Ц

Е

С

С

О

Р

Мышь, джойстик, графический планшет, сенсорный экран

ВВОД

Ввод графической информации

ИНФОРМАЦИИ

Сканер, фотоаппарат, видео-камера

В

Ввод звуковой информации

КОМПЬЮТЕР

Микрофон, диктофон

Игровые устройства

Джойстик, руль, световой пистолет

8

Алгоритмы обработки информации

Состав компонентов

Устройства ввода/вывода

П

Р

О

Ц

Е

С

С

О

Р

Дисковод, сетевая плата, интерактивная доска

ВЫВОД

Вывод графической информации

ИНФОРМАЦИИ

Принтер, графопостроитель, монитор, проектор

ИЗ

Вывод звуковой информации

КОМПЬЮТЕРА

Колонки, наушники, встроенный динамик

Игровые устройства

Игровой контроллер (при столкновении вибрирует)

8

{−,0,+}

Принцип двоичного кодирования

Вся информация, предназначенная для обработки на компьютере (числа, тексты, звуки, графика, видео), а также программы её обработки представляются в виде двоичного кода .

!

Выбор двоичной системы счисления обусловлен:

• простотой выполнения арифметических операций в двоичной системе счисления
• «согласованностью» с булевой логикой
• простотой технической реализации

Троичный компьютер «СЕТУНЬ»

Использование в компьютерной технике классической двоичной системы счисления не лишено недостатков.

В 1958 г. в Московском государственном университете им. М. В. Ломоносова под руководством Н. П. Брусенцова был создан троичный компьютер «Сетунь» . В нём была применена уравновешенная троичная система счисления, использование которой впервые в истории позволило представлять одинаково просто как положительные, так и отрицательные числа.

Знаки троичной симметричной системы счисления {−,0,+}

Принцип однородности памяти

Команды программ и данные хранятся в одной и той же памяти. Команды и данные отличаются только по способу использования. Это утверждение называют

принципом однородности памяти .

!

Ячейка

Сегмент

Сегмент

Сегмент

Сегмент

Память

Принцип адресности памяти

Команды и данные размещаются в единой памяти, состоящей из ячеек, имеющих свои номера (адреса). Это принцип адресности памяти .

!

Смещение

внутри

сегмента

25F0:A3ED

Адрес

сегмента

Адрес ячейки

(В 16-ой СС)

Какой объем памяти отведен под запись адреса ячейки?

?

Комментарии :

1. В 16-системе счисления существует 16 цифр.

16≥2 4 . 4 бита используется для записи одной цифры.

8 цифр *4 бита = 32 бита = 4 байта

Ответ: 4 байта

2. Каждому байту памяти соответствует свой уникальный адрес. На запись одного адреса отведено 32 бита. Разных адресов существует 2 32 .

2 32 байт = 2 2 Гбайт= 4 Гбайт.

Ответ: 4 Гбайта

Оцените максимально возможный объем памяти компьютера, допускающего такую адресацию.

?

14

Принцип иерархичности памяти

Можно выделить два основных требования, предъявляемых к памяти компьютера:

• объём памяти должен быть как можно больше
• время доступа к памяти должно быть как можно меньше

В современных компьютерах используются устройства памяти нескольких уровней, различающиеся по своим основным характеристикам: времени доступа, сложности, объёму и стоимости .

Дорого

…

Дешево

Время доступа

Объем памяти

Принцип иерархичности памяти

Трудности физической реализации запоминающего устройства высокого быстродействия и большого объёма требуют иерархической организации памяти .

!

Цена за байт

Быстро

Мало

…

…

Много

Медленно

Уровни иерархии взаимосвязаны: все данные на одном уровне могут быть также найдены на более низком уровне.

Принцип программного управления

Все вычисления, предусмотренные алгоритмом решения задачи, должны быть представлены в виде программы, состоящей из последовательности команд. Команды представляют собой закодированные управляющие слова, в которых указывается:

• какое выполнить действие
• из каких ячеек считать операнды (данные, участвующие в операции)
• в какую ячейку записать результат операции

Принцип программного управления определяет общий механизм автоматического выполнения программы.

!

Принцип программного управления

Чтение и расшифровка команды

Формирование адреса очередной команды

Выполнение команды

Программа завершена?

нет

да

Передать управление операционной системе

Архитектура компьютера

Архитектура – это общие принципы построения компьютера, отражающие программное управление работой и взаимодействие его основных узлов.

!

Архитектура компьютера

Магистраль (шина) - устройство для обмена данными между устройствами компьютера.

!

Шина адреса используется для указания физического адреса по которому устройство обращается для проведения операции чтения или записи.

По шине управления передаются сигналы, управляющие обменом информацией между устройствами и синхронизирующие этот обмен.

Шина данных используется для передачи данных между узлами компьютера

Процессор (АЛУ, УУ)

Память

(ОЗУ, ПЗУ)

Шина адреса

Шина данных

Шина управления

Комментарии

Слайд содержит интерактивные элементы:

• Шина адреса
• Шина данных
• Шина управления
• Контроллер

к

к

к

Контроллер – специальный микропроцессор для управления внешними устройствами.

Устройства ввода

Внешняя

память

Устройства вывода

20

Архитектура компьютера

Данные между внешними устройствами по магистрали передаются напрямую

Существенное снижение нагрузки на центральный процессор

Повышение эффективности работы всей вычислительной системы

Современные компьютеры обладают магистрально-модульной архитектурой, главное достоинство которой заключается в возможности легко изменить конфигурацию.

Направления развития

Электронная техника подошла к предельным значениям своих тех-нических характеристик, которые определяются физическими законами

НАНОТЕХНОЛОГИИ

Поиск неэлектронных средств хранения и обработки данных. Создание квантовых и биологических компьютеров

Комментарии : Рисунок поколений взят из презентации

10-6-1 История развития ВТ.pptx

20

Самое главное

Независимо друг от друга Джон фон Нейман и Сергей Алексеевич Лебедев сформулировали основополагающие принципы построения компьютеров :

• состав основных компонентов вычислительной машины;
• принцип двоичного кодирования;
• однородности памяти;
• принцип адресности памяти;
• принцип иерархической организации памяти;
• принцип программного управления.

Самое главное

Архитектура — это общие принципы построения компьютера, отражающие программное управление работой и взаимодействие его основных функциональных узлов. Архитектура первых компьютеров предполагала взаимодействие всех устройств через процессор и наличие неизменного набора внешних устройств.

Современные компьютеры обладают открытой магистрально-модульной архитектурой – устройства взаимодействую через шину, что способствует оптимизации процессов внутреннего обмена информацией.

Современная архитектура позволяет легко изменить конфигурацию компьютера путём подключения к шине новых или замены старых внешних устройств.

Вопросы и задания

• Перечислите основные фундаментальные идеи, лежащие в основе построения компьютеров.
• Перечислите положительные и отрицательные стороны двоичного представления информации в компьютере?
• В чём состоит суть принципа адресности памяти?
• В некотором царстве, в некотором государстве, в некотором НИИ создали компьютер «Магия-7», соблюдая все принципы Неймана-Лебедева. Память «Магии-7» разделили на сегменты, а сегменты на ячейки. Адрес сегмента – однозначное шестнадцатеричное число. Смещение – трехзначное шестнадцатеричное число. Оцените размер памяти компьютера «Магия-7».
• В чём её главное достоинство магистрально-модульной архитектуры?