Материал: Лекции

Тема: Принципы построения ЭВМ

1. История развития ЭВМ

   1. Краткое описание развития

• 1642 г. — Паскаль конструирует первую механическую счётную машину;

• 1830 г. — Английский учёный Бэбидж предложил идею первой программируемой вычислительной машины. Первый реализовал идею перфокарт Холлери; он же изобрёл машину для обработки результатов переписи населения, первым применил электричество для расчётов;

• 1930 г. — Американский учёный Буш изобрёл первый в мире компьютер («дифференциальный анализатор», по его собственному названию);

• 1944 г. — появляется компьютер «Mark 1», разработка учёного Айкнема;

• 1946 г. — первая в мире ЭВМ — Эниак.

1. Поколения ЭВМ

   Поколение	Характеристика
   I поколение (1946 – 1960 гг.)	Основной элемент — электронная лампа. Количество ЭВМ в мире — около нескольких сотен. Носитель информации — перфокарта или перфолента.
   II поколение (1960 – 1964 гг.)	Основной элемент — транзистор (был изобретён в 1948 г.). Один транзистор заменял 40 электронных ламп. Количество ЭВМ в мире — тысячи. Размеры значительно меньше предыдущего поколения. Носитель информации — магнитная лента. В СССР появляется машина Минск-2 и Урал-14
   III поколение (1964 – 1970 гг.)	Основной элемент — интегральная схема (ИС — кристалл площадью 1 см2, заменяющий 1 000 транзисторов и равный по мощности Эниак). Количество ЭВМ в мире — десятки тысяч. Размер — мини-ЭВМ. Носитель информации — магнитный диск. Появляется возможность параллельно обрабатывать несколько программ (мультипрограммирование).
   IV поколение (1970 – 1980 гг.)	Основной элемент — большая интегральная схема (БИС заменяет 1 000 ИС из предыдущего поколения). Количество ЭВМ в мире — миллионы. Размер ЭВМ — микро-ЭВМ. Появляются персональные компьютеры и центральный процессор. Носитель информации — гибкий диск.
   V поколение (1980 гг. – по наше время)	Основной элемент — сверхбольшая интегральная схема.

1. Основные характеристики и классификация компьютеров

   1. Основные характеристики

1. Быстродействие. Характеризуется числом определённого типа команд, выполняемых ЭВМ за одну секунду.

2. Производительность. Объём работ, выполняемых ЭВМ за одну секунду.

3. Ёмкость запоминающих устройств;

4. Надёжность — способность ЭВМ при определённых условиях выполнять требуемые функции в течение заданного периода времени.

5. Точность — возможность различать почти равные значения. Точность получения результатов в основном определяется разрядностью ЭВМ.

6. Достоверность. Заданный уровень достоверности обеспечивается аппаратно-программными средствами контроля самой ЭВМ. Достоверность — вероятность получения безошибочных результатов.

2. Классификация ЭВМ

По назначению:

1. Супер-ЭВМ. Уникальная сверхпроизводительная система, используемая для решения сложнейших задач.

2. Сервер. Компьютер, предоставляющий свои ресурсы другим пользователям:

   • Сервера приложения (app-server);

   • Файловый сервер;

   • Веб-сервер;

   • Почтовый сервер;

   • Коммуникационный сервер;

   • и т. д.

3. Профессиональная рабочая станция. Специализированный высокопроизводительный компьютер, ориентированный на профессиональную деятельность в определённой области с дополнительным оборудованием и специализированным ПО.

4. ПК. Настройка, обслуживание и установка ПО могут выполняться самим пользователем с минимальным привлечением специалиста.

5. Ноутбук;

6. Нетбук;

7. Терминал.

1. Режимы работы ЭВМ

1. Однопрограммный.

2. Мультипрограммирование — одновременно выполнялось несколько программ обработки данных; выполнение 1 из программ осуществлялось в вынужденные перерывы в выполнении других.

3. Разделение времени — мультипрограммный режим, при котором ресурсы ЭВМ распределяет ОС.

4. Режим реального времени.

3. Принципы построения компьютера

1. АЛУ (арифметико-логическое устройство);

2. Устройство управления;

3. I/O;

4. П
   амять.

1. Принцип функционирования ЭВМ

1. В ЗУ через УВВ записываются программа и подлежащие обработке данных.

2. Из ЗУ последовательно считываются коды команд.

3. По коду определяется место нахождения обрабатываемых данных и тип команды.

4. Данные извлекаются из ЗУ и выполняются над ними предписанные командой.

5. Находятся под следующей командой.

Стандартом для построения стал способ описанный Джоном Фон Нейманом в 1945г. Все вычисления предписанные алгоритмом решения задач должны быть представлены в виде программы, состоящей из последовательности управляющих слов — команд. Каждая команда содержит код операции и место нахождения операндов. Программы и обрабатываемые данные должны совместно храниться в памяти ЭВМ. Операнды — переменные, значения которых участвуют в операциях преобразования данных. Для доступа к программам, командам и операндам используются их адреса. В качестве адресов выступают номера ячеек памяти ЭВМ. Вся информация кодируется двоичными кодами. Выполнение каждой команды программы предполагает многократное обращение к памяти.

2. Современный подход к построению ЭВМ

1. Модульность — процессор, модуль памяти; Модульность построения делает ЭВМ открытой системой, способной к адаптации и совершенствованию.

2. Магистральность — в качестве основных средств подключения обьединения модулей в систему используются магистрали (шины).

3. Иерархия управления — децентрализация управления предполагает иерархическую организацию структуры компьютера.

Г
лавный (центральный) модуль системы определяет последовательность работ подчиненных модулей и их инициализацию, после чего они продолжают работу по собственным программным управлениям.

Ядро ПК образуют процессор, основная память (состоит из оперативной памяти — ОП, ПЗУ и видеопамяти). Подключение всех внешних устройств (ВнУ) обеспечивается через адаптеры — то есть согласователи скоростей сопрягаемых устройств — или контроллеры. Контроллеры в ПК играют роль каналов ввода-вывода. КПД — контроллер прямого доступа к оперативной памяти. Шина — общий канал связи. Выделяют шину данных, шину адресов и шину команд. Если все три типа проводников присутствуют, это называется системной шиной. Организацию согласованной работы шин и устройств выполняют микросхемы — системные логи.

В структуре чипсета выделяют Северный мост (NB) и Южный мост (SB). Северный мост — высокоскоростной, соединяет процессор с оперативной памятью, с видеопамятью и с Южным мостом. Южный мост кроссирует все остальные связи (соединяет USB, внешние устройства и т.д.).

Тема: Программное обеспечение

1. Назначение и классификация программного обеспечения

Программное обеспечение — совокупность программ, процедур и правил, позволяющих использовать ЭВМ для решения различных задач.

3. Функции программного обеспечения

1. Обеспечить работоспособность ПК и периферийных устройств;

2. Обеспечить взаимодействие пользователя с ПК;

3. Сократить цикл от постановки задачи до получения её результата;

4. Повысить эффективность использования ресурсов ЭВМ.

4. Классификация ПО

Системное ПО обеспечивает организацию и контроль в вычислительных процессах, а так же управление распределением ресурсов во время функционирования ЭВМ.

Прикладное ПО — совокупность программ, решения задач из различных сфер человеческой деятельности

Операционная система предназначена для управления процессом разработки программ пользователя, а так же для распределения ресурсов ЭВМ между отдельными программами, процессами и пользователями.

Операционная оболочка — программа-надстройка к операционной системе, которая обеспечивает доступ пользователя к командам и ресурсам операционной системы посредством более удобного интерфейса.

Системные утилиты — программы, расширяющие возможности операционных систем и оболочек.

Системы программирования содержат программные средства, предназначенные для реализации операционных алгоритмов виде некоторой последовательности распознаваемых ЭВМ инструкций.

Под машинно-зависимыми языками понимают языки, алфавит, синтаксис и семантика которых зависят от системных команд процессора конкретно взятой ЭВМ.

Средства контроля и диагностики — совокупность программно-аппаратных средств ЭВМ для обнаружения ошибок в процессе работы компьютера

1. Прикладные пакеты

Проблемно-ориентированные — комплекс программ, ориентированных на узкий круг решаемых задач.

Интегрированные — включают в себя инструментальные средства, каждое из которых по функциональным возможностям практически равно проблемно-ориентированным программам.

Прикладные программы пользователя — создаются самим пользователем с использованием средств программирования, которые есть в его распоряжении.

4. Требования к разработке ПО

1. Наличие модульной структуры;

2. Возможность наращиваемости и развития;

3. Надёжность;

4. Предсказуемость;

5. Удобство и эргономичность;

6. Совместимость;

5. И ерархическая структура ПО

1. I уровень — внутреннее ПО

I уровень представляет собой программный интерфейс, обеспечивающий взаимосвязь работы компьютера с остальными программами и обслуживающий аппаратные модули.

Программы, обслуживающие аппаратные модули системы, называются драйверами.

Программа самотестирования (POST) — предназначена для проверки функциональных модулей вычислительной системы и установки схем компьютера в исходное состояние. При успешном завершении самопроверки управление через прерывание передаётся программе первоначальной загрузки.

2. II уровень — ОС

II уровень состоит из двух частей:

• Резидентная — выводится с помощью программы первоначальной загрузки в оперативную память и хранится там в течение всего сеанса работы машины;

• Транзитная — находится на внешней памяти (на диске, флешке и т.д.). К ней относятся все используемые команды.

Интерфейс операционной системы обеспечивает её взаимосвязь с прикладными программами (уровень III), позволяет пользователю взаимодействовать с операционной системой через интерпретатор команд.

Резидентная часть программ выполняется интерпретатором команд. Для остальных — командный процессор находит их на диске и загружает их в оперативную память.