12. Базовые логические элементы, принцип их работы. Построение логических схем.

Базовые логические элементы

Базовые логические элементы, полусумматор двоичных чисел.

Базовые и логические элементы различают три основные логические операции "И", "ИЛИ", "НЕ".

Коньюктор: реализует логическую операцию конъюнкцию. (умножение Ʌ). На входе A и B такого элемента подаются два сигнала. На выходе получается сигнал 0 и 1 в соответствии с таблицей истинности.

Дизъюнктор: реализует операцию дизъюнкцию (сложение V)

Инвертор: реализует логическую операцию инверсию (отрицание). На входе такого элемента подается 1 сигнал. Поскольку любая логическая операция может быть представлена в виде комбинации трех основных, любые операции обработки и хранения информации производимые устройствами компьютера могут быть собраны из базовых логических элементов. Лог. операции компа оперируют сигналами, если сигнал есть, то это соответствует лог. (1), нет сигнала (0). Сигнал это всегда электрический импульс. В целях максимального упрощения работы компьютеров многообразие математических операций в процессоре сводиться к сложению двоичных чисел, поэтому главной частью процессора явл. сумматоры., которые как раз и обеспечивают то сложение. Каждый сумматор состоит из двух и более полусумматоров.

Полусумматор

Два слагаемых А и B, результат сложения S, перенос в старший разряд переменная Р.

Получим теперь формулу для вычисления суммы.Значения суммы близки к результату операции лог. сложения кроме случая когда на входе попадаются две единицы, а на выходе должен получится 0. Нужный результат достигается если результат логического сложения умножить на инвертированный перенос.Для определения лог. суммы можно применять выражение:

Полный сумматор (одноразрядный) должен иметь три входа: A и B - это слагаемые,Р- перенос из младшего разряда и 2 выхода: S- сумму и P-перенос.

13. Архитектура эвм. Основа, структура и принцип действия компьютера. Понятие программы и команды.

8. Архитектура, структура, элементная база ЭВМ.

С середины 60-х годов очень сильно изменился подход к созданию вычислительных машин. Вместо разработки аппаратуры и средств математического обеспечения стала проектироваться система, состоящая из синтеза аппаратных (hardware) и программных (software) средств. При этом на главный план выдвинулась концепция взаимодействия. Так возникло новое понятие -- архитектура ЭВМ.

Под архитектурой ЭВМ принято понимать совокупность общих принципов организации аппаратно-программных средств и их основных характеристик, определяющая функциональные возможности вычислительной машины при решении соответствующих типов задач.

Архитектура ЭВМ охватывает значительный круг проблем, связанных с созданием комплекса аппаратных и программных средств и учитывающих большое количество определяющих факторов. Среди этих факторов основными являются: стоимость, сфера применения, функциональные возможности, удобство в эксплуатации, а одним из основных компонентов архитектуры считаются аппаратные средства.

Архитектуру вычислительного средства необходимо отличать от структуры ВС. Структура вычислительного средства определяет его текущий состав на определенном уровне детализации и описывает связи внутри средства. Архитектура же определяет основные правила взаимодействия составных элементов вычислительного средства, описание которых выполняется в той мере, в какой необходимо для формирования правил взаимодействия. Она устанавливает не все связи, а только наиболее необходимые, которые должны быть известны для более грамотного использования применяемого средства.

Архитектура ЭВМ включает в себя как структуру, отражающую состав ПК, так и программно - математическое обеспечение. Структура ЭВМ - совокупность элементов и связей между ними. Основным принципом построения всех современных ЭВМ является программное управление.

Основы учения об архитектуре вычислительных машин были заложены Джон фон Нейманом. Совокупность этих принципов породила классическую (фон-неймановскую) архитектуру ЭВМ.

Современную архитектуру компьютера определяют следующие принципы:

Принцип программного управления.

Принцип программы, сохраняемой в памяти.

Принцип произвольного доступа к памяти..

На основании этих принципов можно утверждать, что современный компьютер - техническое устройство, которое после ввода в память начальных данных в виде цифровых кодов и программы их обработки, выраженной тоже цифровыми кодами, способно автоматически осуществить вычислительный процесс, заданный программой, и выдать готовые результаты решения задачи в форме, пригодной для восприятия человеком.

Реальная структура компьютера значительно сложнее, чем рассмотренная выше (ее можно назвать логической структурой). В современных компьютерах, в частности персональных, все чаще происходит отход от традиционной архитектуры фон Неймана, обусловленный стремлением разработчиков и пользователей к повышению качества и производительности компьютеров. Качество ЭВМ характеризуется многими показателями. Это и набор команд, которые компьютер способный понимать, и скорость работы (быстродействие) центрального процессора, количество периферийных устройств ввода-вывода, присоединяемых к компьютеру одновременно и т.д. Главным показателем является быстродействие - количество операций, какую процессор способен выполнить за единицу времени. На практике пользователя больше интересует производительность компьютера - показатель его эффективного быстродействия, то есть способности не просто быстро функционировать, а быстро решать конкретные поставленные задачи.

Как результат, все эти и прочие факторы способствуют принципиальному и конструктивному усовершенствованию элементной базы компьютеров, то есть созданию новых, более быстрых, надежных и удобных в работе процессоров, запоминающих устройств, устройств ввода-вывода и т.д. Тем не менее, следует учитывать, что скорость работы элементов невозможно увеличивать беспредельно (существуют современные технологические ограничения и ограничения, обусловленные физическими законами). Поэтому разработчики компьютерной техники ищут решения этой проблемы усовершенствованием архитектуры ЭВМ.

Так, появились компьютеры с многопроцессорной архитектурой, в которой несколько процессоров работают одновременно, а это означает, что производительность такого компьютера равняется сумме производительностей процессоров. В мощных компьютерах, предназначенных для сложных инженерных расчетов и систем автоматизированного проектирования (САПР), часто устанавливают два или четыре процессора. В сверхмощных ЭВМ (такие машины могут, например, моделировать ядерные реакции в режиме реального времени, прогнозировать погоду в глобальном масштабе) количество процессоров достигает нескольких десятков.

Скорость работы компьютера существенным образом зависит от быстродействия оперативной памяти. Поэтому, постоянно ведутся поиски элементов для оперативной памяти, затрачивающих меньше времени на операции чтения-записи. Но вместе с быстродействием возрастает стоимость элементов памяти, поэтому наращивание быстродействующей оперативной памяти нужной емкости не всегда приемлемо экономически.

В истории развития вычислительной техники принято выделять поколения ЭВМ. Переход от одного поколения к другому связан со сменой элементной базы на которой построен компьютер. Выделяют следующие четыре поколения ЭВМ:

первое поколение: 1946-1957 годы; элементная база – электронные вакуумные лампы; оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) – до 100 байт; быстродействие — до 10000 операций в секунду;

второе поколение: 1958-1964 годы; элементная база – транзисторы; ОЗУ — до 1000 байт; быстродействие — до 1 млн. операций в секунду;

третье поколение: 1965-1975 годы; элементная база – малые интегральные схемы; ОЗУ — до 10 Кбайт; быстродействие – до 10 млн. операций в секунду;

четвертое поколение: 1976 год; элементная база — большие (БИС) и сверхбольшие (СБИС) интегральные схемы; ОЗУ — от 100 Кбайт и выше; быстродействие — свыше 10 млн. операций в секунду.

Следует заметить, что граница между третьим и четвертым поколениями ЭВМ по признаку элементной базы достаточно условна: произошло, скорее количественное изменение параметров элементной базы.

Кроме того, единица измерения быстродействия компьютера "операции в секунду" устарела. Она не достаточно правильно отражает быстродействие. Для компьютеров первых поколений под "операцией" часто понимали сложение двух целых чисел определенной длины. Операция умножения выполнялась в десятки раз медленнее, чем сложение. Поэтому для современных компьютеров чаще используется характеристика — тактовая частота. Тактовая частота – это количество импульсов в секунду (герц), генерируемых тактовым генератором компьютера. Тактовая частота — более мелкая единица измерения, чем операции в секунду. Фирмы — производители компьютеров стремятся к тому, чтобы уменьшить количество тактов, необходимых для выполнения базовых операций, и, тем самым, повысить быстродействие компьютеров.

Компью́терная програ́мма — последовательность инструкций, предназначенная для исполнения устройством управления вычислительной машины. Программа — один из компонентов программного обеспечения. В зависимости от контекста, рассматриваемый термин может относиться также и к исходным текстам программы. Компьютерные программы, как объект авторского права и других прав интеллектуальной собственности, относится к категории нематериальных активов.

Команда — это указание компьютерной программе действовать как некий интерпретатор для решения задачи.