205

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОСИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

«Воронежская государственная лесотехническая академия»

КАФЕДРА «ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ И ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ»

«Информатика»

Лабораторный практикум

ВОРОНЕЖ 2009

УДК 681.3

Ю16

Печатается по решению учебно-методического совета ГОУ ВПО «ВГЛТА» (протокол №_____ от 11 декабря 2009 г.)

Рецензент Проректор по научной работе, зав. кафедрой ИС ВИВТ, профессор, заслуженный работник высшей школы РФ Ю.С. Сербулов

Юдина Н.Ю.

Ю16 Вычислительные машины, системы и сети [Текст]: лаб. практикум. / Н.Ю. Юдина,Ю.А. Чевычелов; Фед. агентство по образованию, ГОУ ВПО «ВГЛТА».– Воронеж, 2010,– 240с.

ISBN

Данный лабораторный практикум состоит из 6 работ.

Предназначен для студентов специальности 190601.65 –автомобили и автомобильное хозяйство», 250403,65 – «Технология деревообработки».

Табл. Ил. Библиогр.: наим.

УДК 681.3

Учебное издание

Надежда Юрьевна Юдина

Юрий Акимович Чевычелов

Информатика

Лабораторный практикум

Редактор В.В. Хамуди

Подписано в печать Формат 60х84 1.16 Объем п.л.

Усл.печ. л. Уч.-изд. л. Тираж экз. Заказ

ГОУ ВПО «Воронежская государственная лесотехническая академия»

РИО ГОУ ВПО «ВГЛТА». 394087, г. Воронеж, ул. Тимирязева, 8

Отпечатано в УОП ГОУ ВПО «ВГЛТА». 394087, г. Воронеж, ул. Докучаева, 10

© Юдина Н.Ю., Чевычелов Ю.А., 2010

ISBN © ГОУ ВПО «Воронежская государственная лесотехническая академия», 2010

Лабораторная работа №1 Тема работы: Принципы построения эвм

Цель работы: изучить информационно-логические основы построения вычислительных машин.

Основные принципы построения ЭВМ были сформулированы американским учёным Джоном фон Нейманом в 40-х годах 20 века:

1. Принцип двоичного кодирования. Электронные машины должны работать не в десятичной, а в двоичной системе счисления.

2. Принцип программного управления. Из него следует, что программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором автоматически друг за другом в определенной последовательности. Выборка программы из памяти осуществляется с помощью счетчика команд. Этот регистр процессора (небольшой элемент памяти) последовательно увеличивает хранимый в нем адрес очередной команды на длину команды. А так как команды программы расположены в памяти друг за другом, то тем самым организуется выборка цепочки команд из последовательно расположенных ячеек памяти. Если же нужно после выполнения команды перейти не к следующей, а к какой-то другой, то используются команды условного или безусловного переходов, которые заносят в счетчик команд номер ячейки памяти, содержащей следующую команду. Выборка команд из памяти прекращается после достижения и выполнения команды «стоп» или «End». Таким образом, процессор исполняет команду автоматически без вмешательства человека.

3. Принцип хранимой программы. В процессе решения задачи программа ее исполнения должна размещаться в запоминающем устройстве машины, обладающем высокой скоростью выборки и записи.

4. Принцип однородности памяти и однотипности представления чисел и команд. Программа, так же как и числа, которыми оперирует машина, записывается в двоичном коде. Таким образом, по форме представления команды и числа однотипны, а это дает возможность машине исполнять операции, как над числами, так и над командами программы. Например, программа в процессе своего выполнения может подвергнуться переработке, что позволяет задавать самой программе правила получения некоторых ее частей (так в программе организуется выполнение циклов и подпрограмм). Более того, команды одной программы могут выть получены как результат исполнения другой команды. На этом принципе основаны методы трансляции – перевода текста одной программы с языка программирования высокого уровня на язык конкретной машины.

5. Принцип иерархичности памяти. Трудности реализации единого быстродействующего запоминающего устройства требует иерархического построения памяти. Должно быть, по крайней мере, два уровня иерархии: основная память и внешняя память.

6. Принцип адресности основной памяти. Основная память должна состоять из пронумерованных ячеек, каждая из которых доступна программе в любой момент времени по ее адресу или присвоенному ей имени (имя ячейке присваивается в программе, и соответственно этому имени адрес должен храниться в основной памяти на протяжении всего времени выполнения программы).

Структура ЭВМ, согласно принципам согласно принципам Неймана содержит три основные компоненты: процессор, память и устройства ввода-вывода (УВВ) (см. рисунок 1).

Рисунок 1. Структура ЭВМ

Информация, с которой работает ЭВМ делится на два типа:

• набор команд по обработке (программы);

• данные подлежащие обработке.

Руководит обработкой процессор, устройство управления (УУ) которого выбирает команды из ОЗУ (основная память) и организует их выполнение, а арифметико-логическое устройство (АЛУ) проводит арифметические и логические операции над данными.

С процессором и ОЗУ связаны устройства ввода-вывода (УВВ)

Архитектура современных персональных компьютеров основана на магистрально-модульном принципе (рис. 2).

Р исунок 2. Архитектура современных персональных компьютеров

Все компоненты компьютерной системы соединяются между собой посредством интерфейса. Это понятие является основополагающим для понимания принципов функционирования персонального компьютера. Интерфейс упрощенно можно представить как совокупность сигнальных линий (шин), объединенных по назначению (данные, адреса, управление), с определенными электрическими характеристиками и протоколами обмена данными. Шина интерфейса обслуживается контроллерами и служебными устройствами (буфера, регистры, мосты), а также программной оболочкой (драйверами и операционной системой).

Используемые в настоящее время шины отличаются по разрядности, способу передачи сигнала (последовательные, параллельные), пропускной способности, количеству и типу поддерживаемых устройств, а также протоколу работы. Шины могут быть синхронными (осуществляющими передачу данных по тактовым импульсам) и асинхронными (осуществляющие передачу данных в произвольные моменты времени), а также использовать различные схемы арбитража (то есть способа совместного использования шины несколькими устройствами).

Шина – это кабель, состоящий из множества проводников. По одной группе проводников – шине данных передаётся обрабатываемая информация, по другой – шине адреса – адреса памяти или внешних устройств, к которым обращается процессор. Третья часть магистрали – шина управления, по ней передаются управляющие сигналы (например, сигнал готовности устройства к работе, сигнал к началу работы устройства и др.).

В подавляющем большинстве современных ПК в качестве системного интерфейса используется системная шина. Под основной, или системной шиной понимается шина между процессором и подсистемой памяти.

Важнейшими функциональными характеристиками системной шины являются количество обслуживаемых ею устройств и пропускная способность (максимально возможная скорость передачи информации), которая зависит от разрядности шины (8-, 16-, 32-, 64-разрядные шины) и тактовой частоты, на которой шина работает. Разрядность, или ширина шины (bus width) – количество линий связи в шине, то есть количество битов, которое может быть передано по шине одновременно. Тактовая частота характеризует число элементарных операций по передаче данных в 1 секунду. Разрядность шины измеряется в битах, тактовая частота – в мегагерцах.

Всякая информация, передаваемая от процессора к другим устройствам по шине данных, сопровождается адресом, передаваемым по адресной шине. Это может быть адрес ячейки памяти или адрес периферийного устройства. Необходимо, чтобы разрядность шины позволила передать адрес ячейки памяти. Таким образом, словами разрядность шины ограничивает объем оперативной памяти ЭВМ, он не может быть больше чем , где n – разрядность шины. Важно, чтобы производительности всех подсоединённых к шине устройств были согласованы. Неразумно иметь быстрый процессор и медленную память или быстрый процессор и память, но медленный винчестер.

В современных ЭВМ реализован принцип открытой архитектуры, позволяющий пользователю самому комплектовать нужную ему конфигурацию компьютера и производить при необходимости её модернизацию. Конфигурацией компьютера называют фактический набор компонентов ЭВМ. Принцип открытой архитектуры позволяет менять состав устройств ЭВМ. К информационной магистрали могут подключаться дополнительные периферийные устройства, одни модели устройств могут заменяться на другие. Принцип открытой архитектуры обусловил широкое распространение IBM PC, удобство сборки и модернизации компьютеров, универсальность, огромный выбор компонентов и сравнительно низкие цены на комплектующие.

Аппаратное подключение периферийного устройства к магистрали на физическом уровне осуществляется через специальный блок – контроллер (другие названия – адаптер, плата, карта). Для установки контроллеров на материнской плате имеются специальные разъёмы – слоты.

Программное управление работой периферийного устройства производится через программу-драйвер, которая является компонентой операционной системы. Так как существует огромное количество разнообразных устройств, которые могут быть установлены в компьютер, то обычно к каждому устройству поставляется драйвер, взаимодействующий непосредственно с этим устройством и операционной системой компьютера.

Связь компьютера с внешними устройствами осуществляется через порты – специальные разъёмы на задней панели компьютера. Различают последовательные и параллельные порты. Последовательные (COM – порты) служат для подключения манипуляторов, модема и передают небольшие объёмы информации на большие расстояния. Параллельные (LPT-порты) служат для подключения принтеров, сканеров и передают большие объёмы информации на небольшие расстояния. В последнее время широкое распространение получили последовательные универсальные порты (USB), к которым можно подключать различные устройства.

Минимальная конфигурация компьютера включает в себя: системный блок, монитор, клавиатуру и мышь.