Республики казахстан южно-казахстанский экономико-технологический

В первой половине XIX века английский математик Чарльз Бэббидж попытался построить универсальное вычислительное устройство, которое должно было выполнять вычисления без участия человека. Бэббидж не смог довести до конца работу по созданию этой машины, т.к. она оказалась слишком сложной для техники того времени. Однако он разработал все основные идеи, и в 1943 г. американец Говард Эйкен с помощью работ Бэббиджа на основе техники XX века (электромеханические реле), на одном из предприятий IBM построил вычислительную машину "Марк-1". К этому времени потребность в автоматизации вычислительных процессов стала настолько велика, что над созданием машин типа "Марк-1" одновременно работало несколько групп исследователей, но уже на основе электронных ламп. Машина, названная ENIAC, работала в 1000 раз быстрее, чем Марк-1, однако для задания её программы приходилось в течение нескольких часов и даже дней подсоединять нужным образом провода. Встала необходимость сконструировать такую машину, которая будет хранить программу в своей памяти. В 1945 г. к работе был привлечён знаменитый математик Джон фон Нейман, который определил несколько принципов функционирования вычислительных машин, т.е. компьютеров (слово "компьютер" означает "вычислитель"). Первый компьютер, в котором были воплощены принципы фон Неймана, был построен в 1949 г. С той поры компьютеры стали гораздо мощнее, но подавляющее большинство из них сделано в соответствии с принципами фон Неймана.

Прежде всего, компьютер должен иметь следующие устройства:

• 
  Арифметическо-логическое устройство, выполняющее арифметические и логические операции;
  
• 
  Устройство управления, которое организует процесс выполнения программ;
  
• 
  Запоминающее устройство или память для хранения программ и данных;
  
• 
  Внешние устройства для ввода-вывода информации.
  

Память компьютера должна состоять из некоторого количества пронумерованных ячеек, в каждой из которых могут находиться или обрабатываемые данные, или инструкции программ. Все ячейки памяти должны быть одинаково легко доступны для других устройств компьютера.

1. 
   Перечислите принципы фон Неймана.
   
2. 
   Принципы работы ЭВМ.
   

1. 
   Программа или данные вводятся с помощью устройства ввода из внешней памяти в оперативную память.
   
2. 
   Микропроцессор выбирает команды программы из оперативной памяти в строгом порядке, в котором их следует выполнять. МКП считывает указанные в этих командах данные и производит указанные действия.
   
3. 
   Данные, полученные в результате обработки команд, МКП пересылает в оперативную память или на устройства ввода/вывода.
   

Процесс выполнения команд может прерываться для выполнения неотложных действий, связанных с поступающими сигналами от внешних устройств – прерываний. Тем не менее, большинство современных компьютеров в основных чертах соответствуют принципам, изложенным фон Нейманом.

Очень важным элементом ПК является оперативная память (ОЗУ). Именно из неё процессор берёт программы и исходные данные для обработки, в неё он записывает полученные результаты. Название "оперативная" эта память получила потому, что она работает очень быстро, т.е. оперативно. Однако, содержащаяся в ней информация сохраняется только при включенном ПК. При выключении – содержимое памяти стирается. Часто для оперативной памяти используют обозначение RAM (random access memory, т.е. память с произвольным доступом). От количества установленной в ПК памяти напрямую зависит, с какими программами можно будет работать. В современных ПК память измеряется в гигабайтах.

Процессор, память и необходимые элементы, связывающие их между собой и с другими устройствами, называют центральной частью или ядром ПК.

• 
  Устройства хранения данных (устройства внешней памяти) – дисковые (магнитные, оптические, магнитооптические), ленточные (стримеры), твердотельные (карты, модули USB-устройства на флэш-памяти). Эти устройства используются для сохранения информации.
  
• 
  Устройства ввода/вывода служат для преобразования информации из внутреннего представления ПК (биты, байты) в форму, понятную окружающим и обратно.
  
• 
  Коммуникационные устройства служат для передачи информации между ПК или их частями. Сюда относятся модемы, адаптеры локальных и глобальных сетей.
  
• 
  Контроллеры и шины. Обмен информацией между оперативной памятью и устройствами не происходит непосредственно: между любым устройством и оперативной памятью имеются два промежуточных звена:
  
• 
  Для каждого устройства в ПК имеется электронная схема, которая им управляет, эта схема называется контроллером или адаптером.
  
• 
  Все контроллеры взаимодействуют с ОП и МКП через системную магистраль передачи данных, которую называют шиной.
  

• 
  Двоичные (binary) числа – каждая цифра отражает значение одного бита (0 или 1). После числа ставится буква "b". Для удобства восприятия тетрады могут быть разделены пробелами 1010 0101b.
  
• 
  Шестнадцатеричные (hexadecimal) числа – каждая тетрада представляется одним символом 0..9, A, B, …, F. После последней шестнадцатеричной цифры ставится буква "h", например, 0A5h. Незначащий ноль добавляется слева, перед старшей шестнадцатеричной цифрой, изображаемой буквой, чтобы различать цифры и символические имена.
  
• 
  Восьмеричные (octal) числа – каждая тройка битов (разделение начинается с младшего) записывается в виде цифры из интервала 0-7, в конце ставится признак "o", например, 245o.
  

• 
  Каналы ввода/вывода данных. Пример – регистр данных COM – порта: байты записываются друг за другом в этот регистр, в том же порядке будут передаваться по последовательному интерфейсу, т.е. поступать в канал вывода.
  
• 
  Каналы управления. Если запись в регистр битовых комбинаций изменяет состояние некоего устройства, то регистр образует канал управления.
  
• 
  Каналы состояния. Пример – регистр игрового порта. К которому подключен джойстик. Чтение регистра дает информацию о состоянии кнопок джойстика.
  

Неотъемлемой от ПК частью ПО является BIOS. В ROM BIOS находится программа инициализации, которая обеспечивает тестирование и запуск ПК при включении. В ней содержатся процедуры для работы со стандартными устройствами, реализующие связь ОП и прикладных программам с аппаратными средствами ПК.

Следующий уровень – ОС, основным назначением которой является загрузка прикладных программ и представление им некоторых сервисов. ОС предоставляют возможность работать на логическом уровне. ОС ведает распределением системных ресурсов. На устройствах хранения она организует файловую систему. ОС, как правило, загружается с устройства внешней памяти. Для загрузки ОС требуется специально подготовленный системный диск. В самом начале системного диска располагается загрузчик – короткая программа, загружающая несколько файлов ядра ОС (IO.SYS, MSDOS.SYS) в память и передающая им управление. Эти файлы находятся на том же системном диске в месте, которое известно загрузчику. С этого момента работой ПК управляет ОС, она загружает все свои компоненты, выполняет нужные настройки, и подготавливается для загрузки и выполнения приложений, предоставляя им сервисы файловой системы. Чем сложнее ОС, тем больше памяти ей надо.

И, наконец, верхний уровень иерархии ПО – прикладное программное обеспечение. Прикладные программы могут пользоваться сервисами ОС, BIOS, а также обращаться к аппаратным средствам ПК напрямую, адресуясь к портам и ячейкам памяти.

Важным компонентом ПО являются драйверы – программные модули, содержащие процедуры работы с устройствами. Драйвер хорошо знает программную модель и особенности эффективной работы со своим устройством.
Основные характеристики микропроцессорной техники.
Итак, самым главным в компьютере элементом, его "мозгом", является микропроцессор. Это небольшая (всего в несколько сантиметров) электронная схема, выполняющая все вычисления и обработку информации. МКП может выполнять сотни различных операций и делает это со скоростью в несколько сотен миллионов операций в секунду. В компьютерах типа IBM PC используются МКП типа Intel, а также совместимые с ними микропроцессоры других фирм (AMD, Cyrix). МКП фирмы Intel, применяемых в IBM PC-совместимых компьютерах, таковы: Intel-8088, 80286, 80386, 80486, Pentium, Pentium Pro. Большинство выпускаемых сейчас ПК основано на МКП Pentium, а наиболее мощные - на Pentium Pro. Одинаковые модели МКП могут иметь разную тактовую частоту – чем выше тактовая частота, тем выше производительность. Тактовая частота измеряется в мегагерцах (МГц), а последнее поколение Pentium имеют тактовую частоту в гигагерцах. Тактовая частота указывает скорость выполнения операций внутри МКП. Разные модели МКП выполняют одни и те же команды за разное число тактов. Чем более высокая модель МКП, тем, как правило, меньше тактов требуется МКП для выполнения одних и тех же команд. Поэтому, например МКП Pentium работает в несколько раз быстрее, чем Intel-80486 с такой же тактовой частотой.

Главное, что должен делать центральный процессор - упрощать работу со следующими объектами вычислительной системы:

• 
  Присваивания и арифметические выражения;
  
• 
  Безусловные/ условные переходы;
  
• 
  Логические выражения;
  
• 
  Циклы;
  
• 
  Массивы и структуры данных;
  
• 
  Подпрограммы;
  
• 
  Устройства ввода/вывода.
  

Стандартная архитектура ЦП, обладающего такими возможностями, должна включать:

• 
  Набор регистров для адресации данных и выполнения арифметических операций;
  
• 
  Устройство управления для исполнения команд;
  
• 
  АЛУ для выполнения арифметических и логических операций;
  
• 
  Секцию управления вводом/выводом.
  

Под регистром понимается запоминающее устройство для временного хранения целого числа байт, расположенного внутри МКП. В машинном языке ПК имеются только две цифры 0 и 1, поэтому любая информация представляется и обрабатывается в ПК в форме последовательностей нулей и единиц. Эти две цифры 0 и 1 называются битами, а восемь бит – байт, наименьшая единица измерения памяти ПК.

Очень важным элементом ПК является оперативная память. Именно из неё процессор берёт программы и исходные данные для обработки, в неё он записывает полученные результаты. Название "оперативная" эта память получила потому, что она работает очень быстро, т.е. оперативно. Однако, содержащаяся в ней информация сохраняется только при включенном ПК. При выключении – содержимое памяти стирается. Часто для оперативной памяти используют обозначение RAM (random access memory, т.е. память с произвольным доступом). От количества установленной в ПК памяти напрямую зависит, с какими программами можно будет работать. В современных ПК память измеряется в гигабайтах.

Кэш-память – это память используется для ускорения доступа к оперативной памяти. Она располагается как бы между процессором и ОП и хранит копии наиболее часто используемых участков ОП.

BIOS – постоянная память. Данные заносятся в неё на заводе-изготовителе. Эти данные не могут быть изменены. Их можно считывать специальными программами. Такой вид памяти обычно называют ROM (read only memory, память только для чтения). В постоянной памяти хранятся программы для проверки оборудования ПК, инициирования загрузки ОС и выполнения базовых функций по обслуживанию устройств ПК.

Видеопамять – память, используемая для хранения изображения, выводимого на экран ПК. Эта память обычно входит в состав видеоконтроллера – электронной схемы, управляющей выводом изображения на экран.

Контроллеры и шины. Обмен информацией между оперативной памятью и устройствами не происходит непосредственно: между любым устройством и оперативной памятью имеются два промежуточных звена:

• 
  Для каждого устройства в ПК имеется электронная схема, которая им управляет, эта схема называется контроллером или адаптером.
  
• 
  Все контроллеры взаимодействуют с ОП и МКП через системную магистраль передачи данных, которую называют шиной.
  

Электронные схемы ПК состоят из нескольких электронных плат. Основная плата ПК – системная или материнская. На ней расположены МКП, ОП, кэш-память, шины и BIOS. В некоторых последних моделях ПК на материнских платах, кроме этих элементов, расположены видеоадаптеры, сетевые адаптеры. Такие материнские платы называются интегрированными.

Для работы с внешней памятью необходимо наличие накопителя (устройства, обеспечивающего запись и (или) считывание информации) и устройства хранения — носителя.

• 
  накопители на гибких магнитных дисках (НГМД);
  
• 
  накопители на жестких магнитных дисках (НЖМД);
  
• 
  накопители на магнитной ленте (НМЛ);
  
• 
  накопители CD-ROM, CD-RW, DVD.
  

• 
  гибкие магнитные диски (Floppy Disk) (диаметром 3,5’’ и ёмкостью 1,44 Мб; диаметром 5,25’’ и ёмкостью 1,2 Мб (в настоящее время устарели и практически не используются, выпуск накопителей, предназначенных для дисков диаметром 5,25’’, тоже прекращён)), диски для сменных носителей;
  
• 
  жёсткие магнитные диски (Hard Disk);
  
• 
  кассеты для стримеров и других НМЛ;
  
• 
  диски CD-ROM, CD-R, CD-RW, DVD.
  

Запоминающие устройства принято делить на виды и категории в связи с их принципами функционирования, эксплуатационно-техническими, физическими, программными и др. характеристиками. Так, например, по принципам функционирования различают следующие виды устройств: электронные, магнитные, оптические и смешанные – магнитооптические. Каждый тип устройств организован на основе соответствующей технологии хранения/воспроизведения/записи цифровой информации. Поэтому, в связи с видом и техническим исполнением носителя информации, различают: электронные, дисковые и ленточные устройства.

• 
  информационная ёмкость;
  
• 
  скорость обмена информацией;
  
• 
  надёжность хранения информации;
  
• 
  стоимость.
  

Остановимся подробнее на рассмотрении вышеперечисленных накопителей и носителей.

Магнитные запоминающие устройства принято делить на виды в связи с исполнением, физико-техническими характеристиками носителя информации и т.д. Наиболее часто различают: дисковые и ленточные устройства. Общая технология магнитных запоминающих устройств состоит в намагничивании переменным магнитным полем участков носителя и считывания информации, закодированной как области переменной намагниченности. Дисковые носители, как правило, намагничиваются вдоль концентрических полей – дорожек, расположенных по всей плоскости дискоидального вращающегося носителя. Запись производится в цифровом коде. Намагничивание достигается за счет создания переменного магнитного поля при помощи головок чтения/записи. Головки представляют собой два или более магнитных управляемых контура с сердечниками, на обмотки которых подается переменное напряжение. Изменение величины напряжения вызывает изменение направления линий магнитной индукции магнитного поля и, при намагничивании носителя, означает смену значения бита информации с 1 на 0 или с 0 на 1.

Дисковые устройства делят на гибкие (Floppy Disk) и жесткие (Hard Disk) накопители и носители. Основным свойством дисковых магнитных устройств является запись информации на носитель на концентрические замкнутые дорожки с использованием физического и логического цифрового кодирования информации. Плоский дисковый носитель вращается в процессе чтения/записи, чем и обеспечивается обслуживание всей концентрической дорожки, чтение и запись осуществляется при помощи магнитных головок чтения/записи, которые позиционируют по радиусу носителя с одной дорожки на другую.

Для операционной системы данные на дисках организованы в дорожки и секторы. Дорожки (40 или 80) представляют собой узкие концентрические кольца на диске. Каждая дорожка разделена на части, называемые секторами. При чтении или записи устройство всегда считывает или записывает целое число секторов независимо от объёма запрашиваемой информации. Размер сектора на дискете равен 512 байт. Цилиндр — это общее количество дорожек, с которых можно считать информацию, не перемещая головок. Поскольку гибкий диск имеет только две стороны, а дисковод для гибких дисков — только две головки, в гибком диске на один цилиндр приходится две дорожки. В жестком диске может быть много дисковых пластин, каждая из которых имеет две (или больше) головки, поэтому одному цилиндру соответствует множество дорожек. Кластер (или ячейка размещения данных) — наименьшая область диска, которую операционная система использует при записи файла. Обычно кластер — один или несколько секторов.

Перед использованием дискета должна быть форматирована, т.е. должна быть создана её логическая и физическая структура.

Дискеты требуют аккуратного обращения. Они могут быть повреждены, если

• 
  дотрагиваться до записывающей поверхности;
  
• 
  писать на этикетке дискеты карандашом или шариковой ручкой;
  
• 
  сгибать дискету;
  
• 
  перегревать дискету (оставлять на солнце или около батареи отопления);
  
• 
  подвергать дискету воздействию магнитных полей.