Курс лекций информатика
.pdfданных. Идеи Буля нашли применение в использующих двоичный код цифровых компьютерах. Логические операторы И, ИЛИ и НЕ осуществляют связи в логическом высказывании и, благодаря этому, дают возможность развиться новым высказываниям.
В1885 году американский изобретатель Уильям Барроуз создал самопишущий арифмометр. Машина Барроуза имела клавиатуру для ввода данных и печатное устройство для вывода результатов вычислений.
В1888 году сотрудник национального бюро переписи населения США инженер Герман Холлерит сконструировал первую электромеханическую счетную машину. Эта машина, названная табулятором, могла считывать и сортировать статистические записи, закодированные в виде пробивок на перфокартах. В 1890 году изобретение Холлерита было впервые использовано в 11-й американской переписи населения. Успех вычислительных машин с перфокартами был феноменален. То, чем за десять лет до этого 500 сотрудников занимались в течение семи лет, Холлерит сделал с 43 помощниками на 43 вычислительных машинах за 4 недели. Это изобретение имело успех в США, однако намного больше интереса оно вызвало в Европе, где стало широко применяться для статистических исследований.
В1930 году американский ученый Ванневар Буш разработал большой электромеханический аналог компьютера - дифференциальный анализатор. Машина, способная манипулировать 18 независимыми переменными, стала предвестником бурного развития электронных вычислительных машин.
В1937 году Джордж Стибиц создал первое в США электромеханическое вычисляющее устройство, выполняющее операцию двоичного сложения - двоичный сумматор. Работа устройства базировалась на положениях логики Буля, а роль логических вентилей в нем играли электромеханические реле. Двоичный сумматор Стибица является в настоящее время неотъемлемой частью любой цифровой ЭВМ.
52
В 1939 году Стибиц организовал обмен информацией между вычислительным устройством и пользователями при помощи телетайпа.
В 1942 году американский физик Джон Атанасофф и его коллега Клиффорд Берри закончили работу над вычислительным устройством, работавшим на электронных лампах, которое получило название машины Атанасоффа-Берри. Аппарат Атанасоффа мог достигать точности вычислений, в тысячу раз превышающей точность дифференциального анализатора Буша, считавшегося в ту пору самым передовым вычисляющим прибором. Некоторые идеи Атанасоффа до сих пор остаются актуальными, например, использование конденсаторов в запоминающих устройствах с произвольной выборкой, в том числе в оперативной памяти, регенерация конденсаторов, разделение памяти и процесса вычислений.
Основываясь на идеях и изобретениях Беббиджа и Холлерита, группой американских инженеров во главе с Говардом Эйкеном в 19371943 гг. была спроектирована, а в 1944 году представлена вычислительная машина под названием «Марк-1». Машина была построена на электромеханических реле и оперировала десятичными числами, закодированными на перфоленте. Она могла выполнять любую заданную последовательность из четырех арифметических действий (сложение, вычитание, умножение, деление), а также ссылаться на предыдущий результат без вмешательства человека. Машина программировалась при помощи бумажной перфоленты и таким образом могла управляться человеком с минимальной подготовкой. Для перемножения двух 23разрядных чисел ей было необходимо 4 секунды. «Марк-1» применялась Военно-морскими силами США для решения различных задач оборонного характера.
Примерно в тот же период появились теоретические предпосылки и техническая возможность создания более совершенной машины на электронных лампах. В 1943 г. к разработке такой машины приступили сотрудники Пенсильванского университета (США) под руководством
53
Джона Мокли и Проспера Эккерта, с участием знаменитого математика Джона фон Неймана. Результат их совместных усилий - первая универсальная полностью электронная ламповая вычислительная машина ENIAC (1946 г.). Машина работала в двоичной системе и производила 5000 операций сложения или 300 операций умножения в секунду. Ввод данных осуществлялся с помощью перфокарт.
В 1945 году Нейман опубликовал "Предварительный доклад о машине EDVAC", в котором описывалась сама машина и ее логические свойства и, таким образом, "архитектура фон Неймана" была положена в основу всех последующих моделей компьютеров.
В1949 году в Кембриджском университете (Англия) была создана первая ЭВМ с хранимой программой, получившая название EDSAC
(Electronic Delay Storage Automatic Calculator - электронный калькулятор с памятью на линиях задержки). С тех пор все ЭВМ являются компьютерами
схранимой программой.
Втом же году Джей Форрестер изобрел магнитное запоминающее устройство взамен медленных и ненадежных систем хранения информации, применявшиеся в ранних компьютерах.
В1951 году Джон Мокли и Преспер Эккерт создали машину UNIVAC, предназначенную для коммерческих расчетов. Первый экземпляр был передан в Бюро переписи населения США. Затем было создано много разных моделей UNIVAC, которые нашли применение в различных сферах деятельности. Таким образом, эта машина стала первым серийным компьютером.
В1947 году были начаты работы, а в 1951 году была создана первая советская ЭВМ МЭСМ (под руководством академика С.А. Лебедева).
3.2.2.Принципы построения и структура ЭВМ
Несмотря на большое разнообразие типов ЭВМ, все они построены на основе принципов, сформулированных в 40-х годах XX-го столетия выдающимся американским математиком Джоном фон Нейманом:
54
принцип двоичного кодирования. Машина должна работать не в десятичной системе счисления (как механические арифмометры), а в двоичной. Это означает, что программа и данные должны быть записаны в кодах двоичной системы, где каждое число или символ представляется определенной комбинацией нулей и единиц;
принцип программного управления. Из него следует, что программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором автоматически друг за другом в определенной последовательности;
принцип однородности памяти. Программы и данные хранятся в одной и той же памяти. Поэтому ЭВМ не различает, что хранится в данной ячейке памяти - число, текст или команда. Над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными;
принцип иерархии памяти. Чтобы достаточно быстро можно было считать, память компьютера следует организовать по иерархическому принципу, т.е. она должна состоять по крайней мере из двух частей: быстрой, но небольшой емкости (оперативной) и большой (и поэтому более медленной) внешней;
принцип адресности. Структурно основная память должна состоять из пронумерованных ячеек и процессору в произвольный
момент времени доступна любая ячейка.
Согласно фон Нейману, ЭВМ состоит из следующих основных блоков
(Рис. 2 ):
|
Структурная схема ЭВМ |
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Устройства |
Внешняя память |
|
Процессор |
|
|
|
|
ввода-вывода |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Оперативная память
Рис. 2
55
Процессор - устройство ЭВМ, обеспечивающее обработку данных по заданной программе. Процессор также организует обмен данными и командами между устройствами ЭВМ.
Процессор может обрабатывать только программы и данные, находящиеся непосредственно во внутренней памяти, реализованной в виде запоминающих устройств. (ЗУ) - устройство, способное принимать данные и сохранять их для последующего считывания. Внутренняя память обычно состоит из: оперативной памяти (оперативного запоминающего устройства, ОЗУ) и постоянной памяти (постоянного запоминающего устройства, ПЗУ).
Оперативная память предназначена для хранения программ и данных и последующей передачи их другим устройствам ЭВМ в процессе обработки. ОЗУ обеспечивает чтение находящихся в нем программ и данных и запись в него новой информации. ПЗУ же позволяет выполнять только чтение находящихся в нем программ и данных.
Внешняя память предназначена для долговременного хранения программ и данных.
Устройства ввода-вывода предназначены для ввода, корректировки и вывода программ и данных.
Эта схема, широко используемая в первых вычислительных машинах, имела существенный недостаток, связанный с тем, что управление вводом-выводом и выполнение команд осуществлялось одним устройством управления. При такой структуре ЭВМ все виды обработки программы на время выполнения операций ввода-вывода прекращались из-за занятости процессора, что существенно снижало быстродействие ЭВМ.
Для устранения этого недостатка с их состав было включено дополнительное устройство - канал ввода-вывода - устройство, обеспечивающее прямое взаимодействие процессора и периферийных устройств (Рис.3).
56
Структурная схема ЭВМ с автономным устройством обмена
Рис.3
Существовало два типа каналов:
мультиплексный – для обеспечения взаимодействия с относительно низкоскоростными устройствами ввода и вывода информации (с перфокарт и перфолент, печатающие устройства и т.д.) и может одновременно обслуживать несколько устройств;
- селекторный – для обеспечения высокоскоростного обмена (накопители информации на магнитных дисках, лентах, барабанах и т.д.) и может одновременно обслуживать только одно такое устройство. Каналы обеспечивали не только независимый доступ к памяти, но и автономное управление операциями ввода-вывода. Таким образом, в ЭВМ были унифицированы принципы обмена с внешними устройствами.
Изменения элементно-технологической базы привели к изменению сложившихся принципов проектирования вычислительной техники. Появляются ЭВМ, основанные на идеях параллельной и конвейерной обработки информации. Наибольшее распространение в ЭВМ получил вариант обмена информацией между устройствами через общую магистраль (общую шину), и поэтому структура таких ЭВМ получила название шинной (Рис.4).
57
Структурная схема ЭВМ с шинной архитектурой
Данные
Ши н а д ан н ы х
Ши н а ад р еса
Ши н а у п р ав л ен и я
1 |
2 |
3 |
Пр о ц е с с о р
Ар и ф м е т и к о - л о г и ч е с к о е
у с т р о й с т в о |
||
У с т р о й с т в о |
||
у п р а в л е н и я |
||
Команды |
|
Адреса |
4 |
5 |
6 |
|
Команды |
управления |
7 |
8 |
9 |
У с т р о й с т в а |
П а м ят ь |
У с т р о й с т в а |
|
в в о д а |
в ы в о д а |
||
|
|||
|
Рис.4 |
|
|
Где: |
|
|
|
1-управление вводом; |
|
5-адрес памяти; |
|
2-адрес порта; |
|
6-данные; |
|
3-ввод данных; |
|
7-управление выводом; |
|
4-управление чтением- |
|
8-адрес порта; |
|
записью; |
|
9-вывод данных. |
В их состав входят те же функциональные устройства: процессор, состоящий из арифметико-логического устройства и устройства управления, устройства ввода-вывода, память. Эти устройства связаны между собой с помощью шины данных, используемой для передачи данных, шины адреса — для передачи адресов при обращении к различным устройствам и шины управления — для передачи сигналов управления (команд).
3.2.3. Память ЭВМ и принципы ее работы
Оперативное запоминающее устройство обеспечивает чтение находящихся в нем данных и запись в него новых данных, а также осуществляет хранение программ, по которым производится обработка
58
данных. ОЗУ представляет собой совокупность ячеек памяти. Ячейки последовательно пронумерованы целыми числами. Номер ячейки ОЗУ называется ее адресом. ОЗУ позволяет обратиться к произвольной ячейке памяти путем указания ее адреса. Объем оперативной памяти определяется количеством ячеек памяти, содержащихся в ОЗУ.
ОЗУ не предназначено для длительного хранения находящихся в нем программ и данных, они могут многократно записываться и стираться. Поскольку ОЗУ является энергозависимой памятью, то информация, находящаяся в нем, сохраняется только при обеспечении его непрерывного питания от сети. При падении напряжения или случайном выключении содержимое ОЗУ теряется. Рассмотрим схему оперативного запоминающего устройства, изображенную на рис. 5. Входы и выходы ЗУ подключены к шине управления, адресной шине и шине данных. По шине управления сообщается тип производимой операции (считывание из памяти или запись в нее).
Считывание данных из запоминающего устройства
Рис.5
Сигналы, подаваемые на адресную шину, определяют область памяти, из которой (в которую) ведется считывание (запись). По шине данных передается считанная (записанная) информация. Каждая ячейка памяти содержит 8 бит информации (1 байт).
При считывании данных из памяти некоторая внешняя по отношению к запоминающему устройству система, например, процессор, устанавливает на шине управления сигнал 0, сообщая таким образом, что должна производиться операция считывания. Кроме того, эта
59
внешняя система помещает на адресную шину некоторое значение в двоичной системе счисления, соответствующее номеру интересующего ее байта. Тем самым запоминающему устройству сообщается, что требуется считать байт информации из ячейки с указанным номером. Дешифратор адреса однозначно определяет соответствующую ячейку памяти и значение ее разрядов выводится на шину данных.
Очевидно, что в результате операции считывания содержимое указанного байта, например для ячейки N-3 равное 00101110, появится на шине данных.
Последовательность событий при записи включает установку на шине управления сигнала 1 и помещение адреса и записываемых данных на адресную шину и шину данных. Дешифратор адреса определяет соответствующий байт, в который и записывается значение, установленное на шине данных.
Описанное выше запоминающее устройство является памятью с произвольной выборкой. Произвольность выборки означает, что значения, последовательно поступающие на адресную шину, совершенно не обязательно должны следовать в каком-то определенном порядке. Иными словами адреса ячеек памяти могут иметь произвольные значения при каждом последующем обращении к запоминающему устройству, при этом требуемые данные будут переданы вне зависимости от порядка указанных адресов.
Запоминающие устройства не различают типов хранимых данных. Начинающие пользователи, зная, что в памяти хранятся команды и обрабатываемые данные, могут ошибочно полагать, что хранимая в памяти команда вызывает выполнение некоторого действия. В действительности и команды, и данные являются только группами битов (байтами), которые записываются и считываются по соответствующей команде. Функция же запоминающего устройства состоит в том, чтобы поставить в соответствие каждому байту данных некоторый адрес независимо от того, содержит ли этот байт обрабатываемые данные или часть команды.
60
Постоянное запоминающее устройство функционирует аналогично запоминающему устройству с произвольным доступом с той лишь разницей, что его содержимое всегда остается неизменным. Содержимое ПЗУ не может быть изменено в результате работы процессора и других устройств ЭВМ. Иначе говоря, постоянное запоминающее устройство (в соответствии с названием) предназначено только для считывания хранимых в нем данных.
Чаще всего в ПЗУ хранят микропрограммы процессора, с помощью которых он организует различные операции низкого уровня (например, операцию умножения чисел - совокупность команд сложения и сдвига, операции ввода-вывода и др.). Постоянное запоминающее устройство используется в вычислительной машине для хранения программы, выполняемой после включения питания. После отключения питания вычислительной машины постоянное запоминающее устройство сохраняет данные, записанные в него при изготовлении. Напротив, устройство памяти с произвольным доступом после выключения машины не сохраняет записанных в него данных.
3.2.4. Принципы работы процессора
Наиболее важной составной частью вычислительной машины является процессор — система, осуществляющая координацию действий всех остальных систем машины. Процессором выполняются следующие функции: управление и координация работы всех других компонентов компьютера; выборка команд и обрабатываемых данных из основной памяти; декодирование команд; выполнение арифметических, логических и других операций, закодированных в командах; передача данных между процессором и оперативной памятью, а также между процессором и устройствами ввода — вывода; отработка сигналов от устройств вводавывода, в том числе обработка сигналов прерывания с этих устройств.
Таким образом, процессор представляет собой устройство, предназначенное для выполнения некоторого заданного набора операций
61