Министерство образования и науки Российской Федерации

Южно-Уральский Государственный Университет

Факультет «Институт Экономики, Торговли и Технологий»

Кафедра «Экономики недвижимости»

Архитектура ЭВМ

Реферат по дисциплине «Информатика»

Проверил, (доцент) ______________/Габбасова О.П./ ___________20_г. Автор работы студент группы ИЭТТ-151 _____________/Шабунина А.А./ __________20_г. Реферат защищен с оценкой (прописью, цифрой) ______________ __________20_г.

Аннотация

Шабунина А.А. Архитектура ЭВМ. Челябинск: ЮУрГУ, ИЭТТ-151, 26 с., 2 ил., библиографический список7 наименований.

Цель реферата  комплексное изучение теоретических основ архитектуры ЭВМ.

Задачи реферата:

• раскрыть особенности архитектуры электронно-вычислительной машины;

• определить понятие архитектура ЭВМ;

• изучить учебную и интернет-литературу по теме «Архитектура ЭВМ»;

• изучить развитие внутренней и внешней структуры ЭВМ;

• освоить магистрально-модульный принцип современного компьютера;

• рассмотреть перспективы развития электронно-вычислительных машин

• дать характеристику основным модулям персонального компьютера.

Изучена учебная литература по основной теме реферата, в полной мере раскрыты особенности архитектуры электронно-вычислительных машин, история их развития, рассмотрена внешняя и внутренняя структура ЭВМ, произведен анализ перспективы развития электронно-вычислительных машин.

Оглавление

1 ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОННО-ВЫЧИСЛЕТЕЛЬНЫХ МАШИН 7

1.1 О понятии «Архитектура ЭВМ» 7

1.2 Создание первых ЭВМ и основополагающие принципы Джона Фон Неймона 8

1.3 Поколения электронно-вычислительных машин 13

2 СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ И РАЗВИТИЕ ВНУТРЕННЕЙ И ВНЕШНЕЙ СТРУКТУРЫ ЭВМ 16

2.1 Магистрально-модульный принцип построения компьютера 16

2.2 Характеристика основных модулей персонального компьютера 18

2.3 Перспективы развития электронно-вычислительных машин 20

Введение

Актуальность данной темы заключается, прежде всего, в том, что современные вычислительные машины представляют одно из самых значительных достижений человеческой мысли, влияние, которого на развитие научно-технического прогресса трудно переоценить.

Области применения ЭВМ непрерывно расширяются. Этому в значительной степени способствует распространение персональных ЭВМ.

Компьютерэто просто-напросто еще один инструмент, еще одно устройство, придуманное для того, чтобы облегчить наш труд или усилить нашу власть над природой. Ведь при всем его кажущемся великолепии современный компьютер обладает, по существу, одним единственным талантом реагировать с молниеносной быстротой на импульсы электрического напряжения. Истинное величие заключено в человеке, его гении, который нашел способ преобразовывать разнообразную информацию, поступающую из реального мира, в последовательность нулей и единиц двоичного кода, т.е. записывать ее на математическом языке, идеально подходящем для электронных схем компьютера.

Значимость рассматриваемой темы обусловлена, прежде всего, тем, что ни одна другая машина в истории не привнесла в наш мир столь быстрых и глубоких изменений. Благодаря компьютерам стали возможными такие знаменательные достижения, как посадка аппаратов на поверхность Луны и исследование планет Солнечной системы. Компьютеры создают тысячи удобств и услуг в нашей повседневной жизни. Они управляют анестезионной аппаратурой в операционных, помогают детям учиться в школах. Компьютеры взяли на себя функции пишущих машинок в редакциях газет и счетных аппаратов в банках. Они улучшают качество телевизионного изображения, управляют телефонными станциями и определяют цену покупок в кассе универсального магазина. Иными словами, они столь прочно вошли в современную жизнь, что обойтись без них практически невозможно.

Общедоступность и универсальность персонального компьютера обеспечивается за счет наличия следующих характеристик:

• «дружественность» интерфейса взаимодействия человека с компьютером, что позволяет работать на нем без специальной подготовки в компьютерной области;

• малая стоимость;

• небольшие габариты и отсутствие специальных требований к условиям окружающей среды;

• открытость архитектуры;

• большое количество программных средств для различных областей применения;

• совместимость на программном и физическом уровне новых версий и моделей;

• высокая надежность работы

Объектом исследования является: вычислительная техника.

Предметом исследования является: архитектура ЭВМ.

Целью работы является: комплексное изучение теоретических основ архитектуры ЭВМ.

Для достижения данной цели необходимо решить следующие задачи:

• раскрыть особенности архитектуры электронно-вычислительной машины;

• определить понятие архитектура ЭВМ;

• изучить учебную и интернет-литературу по теме «Архитектура ЭВМ»;

• изучить развитие внутренней и внешней структуры ЭВМ;

• освоить магистрально-модульный принцип современного компьютера;

• рассмотреть перспективы развития электронно-вычислительных машин

• дать характеристику основным модулям персонального компьютера.

Работа состоит из введения, двух разделов, заключения и библиографического списка. В первом разделе рассматривается история развития электронно-вычислительных машин. Во втором разделе изучается совершенствование и развитие внутренней и внешней структуры ЭВМ.

1. История развития электронно-вычислетельных машин

   1. О понятии «Архитектура 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.

Архитектура ЭВМсовокупность общих принципов организации аппаратно-программных средств и их основных характеристик, определяющих функциональные возможности ЭВМ.

Понятие архитектуры не включает в себя технические детали организации ЭВМ, электронные схемы и т.д.

Понятие архитектуры отражает движение информации в компьютере.

Основным компонентом архитектуры считаются аппаратные средства.

Архитектуру вычислительного средства необходимо отличать от его структуры. 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 их взаимодействия. Она устанавливает не все связи, а наиболее необходимые, которые должны быть известны для более грамотного использования применяемого средства.

Так, пользователю ЭВМ не важно, на каких элементах выполнены электронные схемы и т. д. Важно несколько другое:

• как те или иные структурные особенности ЭВМ связаны с возможностями, предоставляемыми пользователю,

• какие альтернативные решения реализованы при создании машины,

• по каким критериям принимались решения,

• как связаны между собой характеристики устройств, входящих в состав ЭВМ,

• какое действие они оказывают на общие характеристики компьютера.

Другими словами, архитектура ЭВМ действительно отражает круг проблем, которые относятся к общему проектированию и построению вычислительных машин и их программного обеспечения.

2. Создание первых эвм и основополагающие принципы Джона Фон Неймона

Современному человеку сегодня трудно представить свою жизнь без электронно-вычислительных машин. В настоящее время любой желающий, в соответствии со своими запросами, может собрать у себя на рабочем столе полноценный вычислительный центр. Так было, конечно, не всегда. Путь человечества к этому достижению был труден и тернист. Много веков назад люди хотели иметь приспособления, которые помогали бы им решать разнообразные задачи. Многие из этих задач решались последовательным выполнением некоторых рутинных действий, или, как принято говорить сейчас, выполнением алгоритма. С попытки изобрести устройство, способное реализовать простейшие из этих алгоритмов (сложение и вычитание чисел), все и началось ...

Начало эры компьютеров связано с именем английского математика и экономиста Чарльза Бэббиджа. В 1812 году Ч. Бэббидж начал работу над созданием, так называемой «разностной» машины, которая, по его замыслам, должна была не просто выполнять арифметический действия, а проводить вычисления по программе, задающей определённую функцию. В качестве основного элемента своей машины Бэббидж взял зубчатое колесо для запоминания одного разряда числа (всего таких колёс было 18). К 1822 году учёный построил небольшую действующую модель и рассчитал на ней таблицу квадратов.

В 1834 году Бэббидж приступил к созданию «аналитической» машины. Его проект содержал более 2000 чертежей различных узлов. Машина Бэббиджа предполагалась как чисто механическое устройство с паровым приводом. Она состояла из хранилища для чисел («склад»), устройства для производства арифметических действий над числами (Бэббидж назвал его «фабрикой») и устройства, управляющего операциями машины в нужной последовательности, включая перенос чисел из одного места в другое; были предусмотрены средства для ввода и вывода чисел. Бэббидж работал над созданием своей машины до конца своей жизни (он умер в 1871 году), успев сделать лишь некоторые узлы своей машины, которая оказалась слишком сложной для того уровня развития техники.

После Бэббиджа значительный вклад в развитие техники автоматизации счёта внёс американский изобретатель Г. Холлерит. Им была построена машина  табулятор, которая прощупывала отверстия на перфокартах, воспринимала их как соответствующие числа и подсчитывала их.

Первым создателем автоматической вычислительной машины считается немецкий учёный К. Цузе. Работы им начаты в 1933 году, а в 1936 году он построил модель механической вычислительной машины, в которой использовалась двоичная система счисления, форма представления чисел с «плавающей» запятой, трёхадресная система программирования и перфокарты. В качестве элементной базы Цузе выбрал реле, которые к тому времени давно применялись в различных областях техники. В 1938 году Цузе изготовил модель машины Z1 на 16 слов; в следующем году модель Z2, а еще через два года он построил первую в мире действующую вычислительную машину с программным управлением (модель Z3), которая демонстрировалась в Германском научно-исследовательском центре авиации. Это был релейный двоичный компьютер, имеющий память на 64 22-разрядных числа с плавающей запятой: 7 разрядов для порядка и 15 разрядов для мантиссы. К несчастью, все эти образцы машин были уничтожены во время бомбардировок в ходе Второй мировой войны. После войны Цузе изготовил модели Z4 и Z5. К. Цузе в 1945 году создал язык Plankalkul (от немецкого «исчисление планов»), который относится к ранним формам алгоритмических языков. Этот язык был большей степени машинно-ориентированным, но по некоторым возможностям превосходил АЛГОЛ.

Независимо от Цузе построением релейных автоматических вычислительных машин занимались в США Д. Штибитц и Г. Айкен.

Д. Штибитц, тогда работавший в фирме Bell, собрал на телефонных реле первые суммирующие схемы. В 1940 году вместе с С. Уильямсом Штибитц построил «вычислитель комплексных чисел», или релейный интерпретатор, который последствии стал известен как специализированный релейный компьютер «Bell-модель 1». В этом же году машина демонстрировалась на заседании Американского математического общества, где были проведены её первый промышленные испытания. В последующие годы были созданы ещё четыре модели этой машины. Последняя из них разработана Штибитцем в 1946 году (модель V)  это был компьютер общего назначения, содержащий 9000 реле и занимающий площадь почти 90 м2, вес устройства составлял составлял 10 т.

Другую идею релейного компьютера выдвинул в 1937 году аспирант Гарвардского университета Г. Айкен. Его идеей заинтересовалась фирма IBM. В помощь Айкену подключили бригаду инженеров во главе с К. Лейком. Работа по проектированию и постройки машины, названной «Марк-1», началась в 1939 году и продолжалась 5 лет. Машина состояла из стандартных деталей, выпускаемых IBM в то время. Электронные лампы при создании вычислительной машины были впервые применены американским профессором физики и математики Д. Атанасовым. Атанасов работал над проблемой автоматизации решения больших систем линейных уравнений. В декабре 1939 году Атанасов окончательно сформулировал и осуществил на практике свои основные идеи, создав вместе с К. Берри работающую настольную модель машины. После этого он приступил к созданию машины, способной решить систему с 29 неизвестными.

Память машины была энергоёмкая  использовалось 1632 бумажных конденсатора. Всего использовалось 300 электронных ламп. К весне 1942 г. когда монтаж машины был почти завершен, США уже находилось в состоянии войны с Германией, и, к несчастью, проект был свёрнут.

В 1942 году профессор электротехнической школы Мура Пенсильванского университета Д. Маучли представил проект «Использование быстродействующих электронных устройств для вычислений», положивший начало созданию первой электронной вычислительной машины ENIAC. Около года проект пролежал без движения, пока им не заинтересовалась Баллистическая исследовательская лаборатория армии США. В 1943 году под руководством Д. Маучли и Д. Эккерта были начаты работы по созданию ENIAC, демонстрация состоялась 15 февраля 1946 года. Новая машина имела «впечатляющие» параметры: 18000 электронных ламп, весила 30 т и потребляла 150 кВт. ENIAC работала с тактовой частотой 100 кГц и выполняла сложение за 0,2 мс, а умножение  за 2,8 мс, что было на три порядка быстрее, чем это могли делать релейные машины. По своей структуре ЭВМ ENIAC напоминала механические вычислительные машины.

С точки зрения архитектуры ЭВМ с хранимой в памяти программой революционными были идеи американского математика, Члена Национальной АН США и американской академии искусств и наук Джона фон Неймана (1903 1957). Эти идеи были изложены в статье «Предварительное рассмотрение логической конструкции электронного вычислительного устройства», написанная вмести с А. Берксом и Г. Голдстайном и опубликованная в 1946 году.

Основополагающие принципы Джона Фон Неймона:

В 1946 году Д. фон Нейман, Г. Голдстайн и А. Беркс в своей совместной статье изложили новые принципы построения и функционирования ЭВМ. В последствие на основе этих принципов производились первые два поколения компьютеров. В более поздних поколениях происходили некоторые изменения, хотя принципы Неймана актуальны и сегодня. По сути, Нейману удалось обобщить научные разработки и открытия многих других ученых и сформулировать на их основе принципиально новое: Более подробная информация о данных принципах приведена в [2].

• Использование двоичной системы счисления для представления чисел. В докладе Неймана были продемонстрированы преимущества двоичной системы для технической реализации узлов компьютера, удобство и простота выполнения в ней арифметических и логических операций. В дальнейшем ЭВМ стали обрабатывать текстовую, графическую, звуковую и другие виды информации, но по-прежнему двоичное кодирование данных составляет информационную основу любого современного компьютера.

• Принцип программного управления. Программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором автоматически друг за другом в определенной последовательности.

• Принцип однородности памяти. Программа также должна храниться в виде набора нулей и единиц, причем в той же самой памяти, что и обрабатываемые ей числа. С точки зрения хранения и способов обработки принципиальная разница между программой и данными отсутствует.

• Принцип адресности. Структурно основная память состоит из перенумерованных ячеек; процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка. Адресом ячейки фактически является её номер; таким образом, местонахождение информации в ОЗУ также кодируется в виде чисел.

• Возможность условного перехода в процессе выполнения программы. Не смотря на то, что команды выполняются последовательно, в программах можно реализовать возможность перехода к любому участку кода.

Самым главным следствием этих принципов можно назвать то, что теперь программа уже не была постоянной частью машины (как например, у калькулятора). Программу стало возможно легко изменить. А вот аппаратура остается неизменной и очень простой.

Классическая архитектура ЭВМ, построенная по принципу фон Неймана (фон-неймановская архитектура) и реализованная в вычислительных машинах двух (трех) поколений, представлена ниже и содержит следующие основные блоки:

• арифметическо-логическое устройство (АЛУ), выполняющее

• арифметические и логические операции;

• управляющее устройство (УУ), организующее процесс выполнения

• программ;

1. внешнее запоминающее устройство (ВЗУ), или память, для хранения программ и данных;

2. оперативное запоминающее устройство (ОЗУ);

3. устройства ввода и вывода информации (УВВ).

И нформация представлена на рисунке 1

Рисунок 1Структура ЭВМ 1 и 2-го поколений