АРХІТЕКТУРА ТА ПРОГРАМНЕ ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ КОМП’ЮТЕРА 1
Програмування як наукова дисципліна і професійна діяльність 1
Архітектурні особливості сучасних комп'ютерів 2
Класична структура комп’ютера 2
Поняття архітектури комп’ютера 4
Технологія виконання команд мікропроцесором 6
Арифметичні основи комп’ютера 9
Загальні відомості про системи числення 9
Системи числення, застосовувані в комп’ютерах 10
Переведення чисел із однієї позиційної системи числення в іншу 10
Подання даних в комп’ютері 12
Структура внутрішньої пам’яті комп’ютера 12
Подання числових даних 12
Кодування чисел 15
Двійкова арифметика в комп'ютерах 16
Кодування текстових даних 19
Кодування графічних даних 20
Кодування звукової інформації 21
Види програмного забезпечення комп'ютерів 22
Класифікація програмного забезпечення 22
Загальна характеристика операційних систем 23
Архітектура та програмне забезпечення комп’ютера Програмування як наукова дисципліна і професійна діяльність
З давніх давенлюдині доводиться створювати описи послідовностей дій, необхідних для досягнення певної поставленої мети. Такі описи можуть бути розраховані на їх виконання людьми або автоматичними пристроями. Тексти, написані для людей, як правило, мають певну ступінь невизначеності і неформальності. Прикладом може служити фраза з кулінарного рецепта про щіпку солі. Тільки дуже досвідчена людина в змозі правильно посолити блюдо відповідно до подібної рекомендації.
Цей факт цілком пояснює, чому опис послідовності дій, призначений для автоматичного пристрою, повинен бути абсолютно однозначним і заданим за допомогою деякої формальної системи позначень.
Часто створення таких описів пов'язане зі значними технічними труднощами.
Опис послідовності дій, достатньо визначений для того, щоб їх можна було виконати за допомогою деякого автоматичного пристрою називають алгоритмом(algorithm). Зазвичай цю послідовність записують (закодовують) за допомогою деяких формальних позначень. При цьому формальна система, призначена для запису алгоритмів, називаєтьсяалгоритмічним мовою, сам текст алгоритму -програмою, а процес його створення -програмуванням.
Наука програмування(computer science) займається дослідженням властивостей алгоритмів і розробкою методів побудови програм.
Програмування поєднує в собі елементи
інженерії,
фундаментальних наук (перш за все математики)
мистецтва.
У вузькому сенсі під програмуванням(кодуванням) розуміють написання програм (інструкцій) на конкретній мові програмування. Відповідно, люди, які цим займаються, називаютьсяпрограмістами.
У більш широкому сенсі під програмуваннямрозуміють весь спектр діяльності, пов'язаний із створенням і підтримкою в робочому стані програмного забезпечення ЕОМ.
Предмет програмування становлять
ідеї, що лежать в основі мистецтва конструювання програм,
методи, способи і прийоми конструювання, загальні для всіх предметних областей і не залежні від конкретних програмних застосувань.
Метоюдисципліни ОП є вивчення теоретичних основ алгоритмізації і процедурного програмування на алгоритмічних мовах високого рівня та використання отриманих навичок при розв'язанні інженерних задач.
Основнимизавданнямиданої дисципліни є:
формування базових знань з алгоритмізації та програмування;
вивчення сучасних концепцій побудови алгоритмічних мов високого рівня;
вивчення загальних принципів побудови програм як конкретних формулювань абстрактних специфікацій в межах інструментарію мов програмування високого рівня, що підтримують процедурну парадигму програмування;
опанування практичними прийомами процедурного програмування на мовах програмування високого рівня.
Архітектурні особливості сучасних комп'ютерів Класична структура комп’ютера
Одним із основних засобів створення і обробки програм є електронна обчислювальна машина (ЕОМ) або комп'ютер. Комп'ютер - це універсальний пристрій для обробки дискретних (відокремлених) даних. Комп'ютер виконує операції введення інформації, зберігання та оброблення її за певною програмою, виведення одержаних результатів у формі, придатній для сприйняття людиною.
За кожну з названих операцій відповідають спеціальні блоки комп'ютера:
пристрій введення,
запам'ятовуючий пристрій,
центральний процесор,
пристрій виведення.
Всі ці блоки складаються з окремих дрібніших пристроїв. Зокрема в центральний процесор, що служить для виконання всіх обчислень ізабезпеченнязагального керування роботою ПК, можуть входити арифметико-логічний пристрій (АЛП), внутрішній запам'ятовуючий пристрій у вигляді регістрів процесора та внутрішньої кеш-пам'яті, керуючий пристрій (КП).Пристрій введення, як правило, теж не є однією конструктивною одиницею. Оскільки види інформації, що вводиться, різноманітні, джерел може бути декілька. Це стосується і пристрою виведення.
Схематично загальна структура комп'ютера зображена на рис.1.
Рис. 1. Загальнаструктура комп'ютера
Базові принципи побудови і функціонування цифрового комп'ютера сформульовані американським вченим Джоном фон Нейманом (1945-46 рр.). Відповідно до Дж. фон Неймана в якості основних функціональних пристроїв комп'ютера (рис.3) виділяють:
Запам'ятовуючий пристрій(пам'ять),що служитьдля тимчасового (оперативна пам'ять) та тривалого (постійна пам'ять) зберігання програм і даних. Інформація в оперативній пам'яті зберігається тимчасово лише при включеному живленні; впостійнійпам'яті дані можуть зберігатися навіть при вимкненому комп'ютері.
Керуючий пристрій(КП), який координує роботу вcix пристроїв комп'ютерата організовує процес виконання програм.
Керуючий пристрій
здійснює вибірку команд із пам'яті та їх розшифровування,
формує необхідні керуючі сигнали для виконаннярізних операцій (в тому числі і арифметичних),
забезпечує читання і запис інформації (команд і даних) в комірки пам'яті із заданою адресою,
реагує на аварійні ситуації,
виконує загальні функції управління всіма вузлами ПК (формує необхідні керуючі сигнали).
Арифметико-логічний пристрій (АЛП), що служить для виконання функцій обробки інформації (виконання арифметичних та логічних операцій над даними, перетворення кодів та ін.).
АЛП виконує заздалегідь задану множину інструкцій (систему команд) і настроюється на виконання конкретної інструкції керуючими сигналами, які надходять з КП.
Пристрої введення-виведення інформації, які ще називають зовнішніми пристроями.
В сучасних комп'ютерах КП та АЛП об'єднані в один функціональний блок –процесор (центральний процесор, мікропроцесор).
Слід зазначити, щопам'ять комп'ютераподіляється на внутрішню (до якої мікропроцесормає безпосередній доступ) і зовнішню (носії інформації, які можуть існувати окремо від комп'ютера,і призначені для довготривалого зберігання інформації).
Внутрішня пам’ять включає:
Постійну пам'ять (ROM - Read Only Memory). Це запрограмована виробником системна інформація, яка доступна тільки для читання (програми тестування іобслуговуваннякомп'ютера,BIOSі т.ін). Реалізована у вигляді постійного запам’ятовуючого пристрою (ПЗП), об’єм якого – кілька десятків Кб. При вимкненні живлення інформація ПЗП зберігається. Програми, які зберігаються вROM-пам'яті, запускаються автоматично при включенні живлення.
Оперативну пам'ять (ОП, RAM - Ramdom Access Memory). Служить для тимчасового зберіганняпрограм і даних при їх обробці. При вимиканні живлення вміст ОП знищується.
Регістри мікропроцесора. Це найбільш швидкодійний, але найменший за обсягом різновид пам'яті ПК (1 10 байт). Регістри процесора служать для зберігання команд, даних, адрес в процесі виконання команди програми.
Кеш–пам’ять мікропроцесора.Служитьдля зберігання команд, що використовуються найчастіше. При пошуку даних мікропроцесорспочатку звертається до кеш-пам’яті, і тільки, якщо там немає потрібних даних, здійснюється звертання до ОП.
Мікропроцесор може обробляти тільки ті дані, які знаходяться в його внутрішній пам’яті.
До зовнішніх запам'ятовуючих пристроїв відносять різноманітні диски, флешки тощо. Інфopмaцiя, яка зберігається у зовнішній пам’яті, стає доступною для мікропроцесора тільки після того, як буде переписана в ОП.
Сукупність функціональних блоків (пристроїв) комп'ютера і зв’язків між ними називають функціональною структурою комп'ютера.