Контрольные вопросы
1.4.1. Сформулируйте определения высказывания, истинности высказывания и вывода в формальной логике.
1.4.2. Что понимается под таблицей истинности логических высказываний?
1.4.3. Дайте определения основных логических операций: отрицания, сложения, умножения, импликации. Какие знаки используются для обозначения этих операций?
1.4.4. Дайте определение операции эквивалентности.
1.4.5. Перечислите логические законы.
1.4.6. Сформулируйте закон непротиворечия.
1.4.6. Сформулируйте правила преобразования логических выражений.
1.4.7. Сформулируйте правило коммутативности.
1.4.8. Сформулируйте правило дистрибутивности.
1.4.9. Чем отличается выполнение в компьютере арифметических и логических операций?
1.4.10. Что называется логическим вентилем?
1.4.11. Чем отличаются логические вентили И, ИЛИ и НЕ?
1.4.12. Какие функции выполняет полусумматор?
1.4.13. Какие функции выполняет сумматор?
1.4.14. Для чего предназначен каскад сумматоров?
1.4.15. Какие функции выполняет триггер?
2. Технические средства реализации информационных процессов
2.1. История развития эвм. Понятие и основные виды архитектуры эвм
Первая страница в истории создания вычислительных машин связана с именем французского философа, писателя, математика и физика Блеза Паскаля. В 1641-42 году он сконструировал механический вычислитель, который позволил складывать и вычитать числа.
В 1673 году немецкий ученый Готфрид Лейбниц построил первую счетную машину, способную выполнять все четыре действия арифметики. Она послужила прототипом арифмометров. На протяжении 19 века было создано много конструкций арифмометров, повысились их надежность и точность вычислений. Они получили очень широкое распространение.
Существенный вклад в совершенствование счетных машин внесли ученые и конструкторы России: Якобсон, Слободский, Штоффель, Куммер, Чебышев. В 1878 году русский учёный П. Чебышев предложил счётную машину, выполнявшую сложение и вычитание многозначных чисел.
Петербургский инженер Однер изобрел арифмометр с зубчаткой, имеющей переменное число зубьев. Его конструкция оказалась настолько совершенна, (прибор позволял довольно быстро выполнять все четыре арифметических действия) что арифмометры этого типа выпускались с 1873 года в течение почти ста лет. И только в 30-е годы XX столетия в нашей стране был разработан более совершенный арифмометр – «Феликс». Эти счётные устройства использовались несколько десятилетий.
В начале 19 века (1823 – 1834) английский математик Чарльз Беббидж сформулировал основные положения, которые должны лежать в основе конструкции вычислительной машины принципиально нового типа. Задуманный проект машины содержал все основные устройства вычислительных машин: память, арифметическое устройство, устройство управления, устройства ввода-вывода. Реализовать проект этой машины не удалось из-за низкого уровня развития машиностроения. Однако вычислительные программы для этой машины были созданы дочерью Джоржа Байрона Адой Лавлейс, которая по праву считается первой программисткой.
Только через 100 лет в 40-х годах 20 века удалось создать программируемую счетную машину на основе электромеханического реле. Эти машины не успели даже начать выпускать серийно, как появились первые ЭВМ на основе радиоламп.
Первая ЭВМ «Эниак» была создана в США в 1946 г. В группу создателей входил выдающийся ученый 20 века Джон фон Нейман, который и предложил основные принципы построения ЭВМ: переход к двоичной системе счисления для представления информации и принцип хранимой программы. Программу вычислений предлагалось помещать в запоминающем устройстве ЭВМ, что обеспечивало бы автоматический режим выполнения команд и, как следствие, увеличение быстродействия ЭВМ.
Одновременно над проектами ЭВМ работали в Англии и России, где первая ЭВМ, получившая название МЭСМ (малая электронная счетная машина) была разработана в 1950 году, а первая большая ЭВМ – БЭСМ в 1952г. С этого момента началось бурное развитие вычислительной техники. Можно выделить пять этапов в развитии электронных вычислительных машин.
40-50 годы 20 века – первые ЭВМ в США и СССР;
50-60 годы 20 века – первые языки программирования;
60-70 годы 20 века – первые АСУ, САПР, ЕС ЭВМ;
70-80 годы 20 века – первые персональные компьютеры;
80-90 годы 20 века – массовое применение персональных компьютеров.
Все этапы развития ЭВМ принято условно делить на поколения.
Первое поколение создавалось на основе вакуумных электроламп, машина управлялась с пульта и перфокарт с использованием машинных кодов. Эти ЭВМ размещались в нескольких больших металлических шкафах, занимавших целые залы.
Втрое поколение появилось в 60-е годы 20 века. Элементы ЭВМ выполнялись на основе полупроводниковых транзисторов. Эти машины обрабатывали информацию под управлением программ на языке Ассемблер. Ввод данных и программ осуществлялся с перфокарт и перфолент.
Третье поколение выполнялось на микросхемах, содержавших на одной пластинке сотни или тысячи транзисторов. Пример машины третьего поколения – ЕС ЭВМ. Управление работой этих машин происходило с алфавитно-цифровых терминалов. Для управления использовались языки высокого уровня и Ассемблер. Данные и программы вводились как с терминала, так и с перфокарт и перфолент.
Четвертое поколение было создано на основе больших интегральных схем (БИС). Наиболее яркие представители четвертого поколения ЭВМ – персональные компьютеры (ПК). Персональной называется универсальная однопользовательская микроЭВМ. Связь с пользователем осуществлялась посредством цветного графического дисплея с использованием языков высокого уровня.
Пятое поколение создано на основе сверхбольших интегральных схем (СБИС), которые отличаются колоссальной плотностью размещения логических элементов на кристалле.
Предполагается, что в будущем широко распространится ввод информации в ЭВМ с голоса, общения с машиной на естественном языке, машинное зрение, машинное осязание, создание интеллектуальных роботов и робототехнических устройств.
Архитектура ЭВМ – это общее описание структуры и функций ЭВМ на уровне, достаточном для понимания принципов работы и системы команд ЭВМ, не включающее деталей технического и физического устройства компьютера.
К архитектуре относятся следующие принципы построения ЭВМ:
1. структура памяти ЭВМ; 2. способы доступа к памяти и внешним устройствам; 3. возможность изменения конфигурации; 4. система команд; 5. форматы данных; 6. организация интерфейса.
Основные принципы построения ЭВМ были сформулированы американским учёным Джоном фон Нейманом в 40-х годах 20 века:
1. Любую ЭВМ образуют три основные компоненты: процессор, память и устройства ввода-вывода (УВВ).
2. Информация, с которой работает ЭВМ делится на два типа:
– набор команд по обработке (программы);
– данные подлежащие обработке.
3. И команды, и данные вводятся в память (ОЗУ) – принцип хранимой программы.
4. Руководит обработкой процессор, устройство управления (УУ) которого выбирает команды из ОЗУ и организует их выполнение, а арифметико-логическое устройство (АЛУ) проводит арифметические и логические операции над данными.
5. С процессором и ОЗУ связаны устройства ввода-вывода (УВВ).
Архитектура современных персональных компьютеров основана на магистрально-модульном принципе. Информационная связь между устройствами компьютера осуществляется через системную шину (другое название – системная магистраль).
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).
Системная шина характеризуется тактовой частотой и разрядностью. Количество одновременно передаваемых по шине бит называется разрядностью шины. 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.
Ниже представлена схема устройства компьютера, построенного по магистральному принципу:
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, которые составляют компьютер. Принцип открытой архитектуры позволяет менять состав устройств ЭВМ. К информационной магистрали могут подключаться дополнительные периферийные устройства, одни модели устройств могут заменяться на другие.
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.
Совокупность ЭВМ и программного обеспечения составляют вычислительную систему.
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.
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.