инфопособие2011

Глава 4. ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ, СТРУКТУРА И НАЗНАЧЕНИЕ ОСНОВНЫХ БЛОКОВЭВМ

4.1 Структура машины фон-неймановского типа

Принципы построения ЭВМ, как мы говорили ранее, были заложены в 40-ые годы нашего столетия знаменитым ученом Джоном фон Нейманом (1903-1957), тогда, когда появились первые электронно-вычислительные машины, эти принципы, несмотря на то, что современные ЭВМ очень непохожи на своих бабушек ни по внешнему виду, ни по функциям ими выполняемыми, используются до сих пор:

1.Машина должна работать не в десятичной, а в двоичной системе счисления (бинарной), Это означает, что программа и данные должны быть записаны в коде двоичной системы, где каждое число или символ представляется определенной комбинацией нулей и единиц.

2.Программа, которая управляет последовательностью выполнения операций, должна храниться в памяти машины. Там же должны храниться исходные данные и промежуточные результаты.

3.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 по емкости (оперативной) и большой (и поэтому медленной) внешней.

Машины, построенные на этих принципах, называются машинами фон-

неймановского типа или машиной с фон-неймановской архитектурой.

Почему они получили такое название, было рассмотрено ранее в разделе истории вычислительной техники, когда речь шла об электронных машинах первого поколения и, в частности, о машине EDVAC, в создании которой принимал участие Джон фонНейман. Компьютер, отклоняющийся от этой схемы, называется нефон-неймановским. В последнее время чаще всего нарушают второй принцип, требующий, чтобы вычислительный процесс управлялся программой. В нефон-неймановской архитектуре управление вычислительным процессом происходит не программой, а получаемыми результатами – данными.

Несмотря на то, что со времени Чарлза Бэббиджа до 40-х годов ХХ века и до наших дней, прошло уже более 200 лет, тем не менее, принципы, заложенные Бэббиджем и Лавлейс, по-прежнему применяются в современных ЭВМ. Отличие здесь только в том, что Бэббидж не рассматривал возможность хранения управляющих процессом вычисления программ в памяти компьютераЛюбую ЭВМ фон-неймановского типа можно представить в виде

автомата, имеющего четыре главных узла (Рис.4.1, 4.2, 4.3), без которых невозможно функционирование компьютера: процессора, запоминающего устройства, и устройств ввода и вывода. Обмен информацией между устройствами осуществляется с помощью общей шины или общей

магистрали.

.

Рисунок4.1 Джон фон Нейман и его машина

4.2 Назначение основных блоков ЭВМ

Рассмотримназначение основных составляющих частей машины фоннеймановского типа, в дальнейшем, в данном пособии, информация о наиболее важных из них будет представлена более подробно.

4.2.1 Взаимодействие основных блоков

Процессор (Рис.4.3) – в машинах, начиная с третьего поколения, это

микропроцессор,состоит из арифметически-логического устройства (АЛУ)

и управляющего устройства (УУ). Основную долю обработки информации осуществляет АЛУ. На вход АЛУ подается информация в виде кода операции оператора, который указывает, что должно делать АЛУ и операндов – чисел или слов, с которыми этот оператор должен работать. На выходе АЛУ появляется результат этой операции. АЛУ работает как карманный калькулятор, немедленно выдает результат, если в него с помощью клавиш вводить числа. Управляет работой АЛУ управляющее устройство (УУ), действующее на основе информации, поступающей из запоминающего устройства, где хранятся все сведения, необходимые для его работы. Поэтому следующим по важности элементом компьютера является память. Функции памяти выполняет запоминающее устройство (ЗУ).

Одной из разновидностей ЗУ является оперативное запоминающееустройство (ОЗУ), в котором процессы записи и считывания информации происходят очень быстро. Это основная память компьютера. Именно здесь и хранятся программа и данные, необходимые для немедленного решения каждой конкретной задачи.

Работа компьютера сводится к организации взаимодействия АЛУ (знающего «как делать») и ЗУ (знающее«что делать»). Сами по себе АЛУ и ЗУ взаимодействовать не могут. Это осуществляет управляющее устройство (УУ),

которое взаимодействует со всеми узлами компьютера и организует передачу информации от одного узла к другому для выполнения программы, записанной

вОЗУ.

4.2.2Устройства ввода-вывода

Процессор и ОЗУ это главные части компьютера, он может работать, имея только их, но такой компьютер никому не нужен. Чтобы компьютеру передать задание, нужно чтобы он имел устройство ввода, а для того чтобы узнать результат – устройство вывода.

К самым широко применяемым и самым старым устройствам ввода относится клавиатураилипульт. Это устройство похоже на пишущую машинку (Рис. 4.4 и 4.5). Пользователь посылает команды машине в виде символов и букв, имеющихся на клавиатуре, такие команды сами по себе ей не понятны, и требуют перевода на специальный машинный язык. Это осуществляет программно-аппаратное устройство интерфейс(inter - между, face - лицо). Интерфейс – определяет правила взаимодействия различных устройств. Эти правила можно реализовать программно и тогда будем иметь программу интерфейса. Правила интерфейса,реализованные аппаратурноназываются– интерфейсным устройством. Например, аналогоцифровой преобразователь (АЦП), преобразующий электрический ток в его цифровое представление в двоичном коде, является типичным интерфейсом между электрическим процессом и компьютером, который перерабатывает этот процесс.

Рис. 4.4 Клавиатура первого ПК Apple

Если компьютер используется для контроля управления каким-либо объектом и в него нужно вводить показания приборов и датчиков, тогда в качестве интерфейса используется устройство связи компьютера с объектом.

Всю совокупность клавиш клавиатуры можно условно разбить на три группы: символьные, функциональные и клавиши управления курсором.

Символьные клавиши служат для ввода текста, т.е. букв, цифр и специальных символов.

Цифровые клавиши предназначены для ввода чисел, а в режиме <NumLock> управляют курсором.

Рис. 4.5 современная клавиатура

Назначение функциональных клавиш подавать команду. Смысл команд определяется активной в данный момент программой, поэтому жесткого закрепления значений у этих клавиш нет.

Клавиши управления курсором ответственны за передвижение курсора по экрану относительно текущего экранного изображения.

В настоящее время выпускаются клавиатуры под определенное программное обеспечение, например под операционную систему Windows, тогда она дополняется соответствующими кнопками управления

Еще одно распространѐнное устройство ввода, вытесняемое сегодня благодаря сенсорным экранам мониторов – мышь.

Прообраз современной мыши появился только в начале 60-х и был изобретен в ходе работ по повышению продуктивности человеческого интеллекта. Вел эти работы ученый Дуг Энгельбрат, воплотил его идею в техническом исполнении Билл Инглиш (Рис. 5.6)Первая модель мыши. Это простая деревянная коробка с двумя колесиками в днище и большой красной кнопкой сверху.

В настоящее время существует такое количество разновидностей компьютерных мышей, что их даже пытаются классифицировать по типу соединения с компьютером, по назначению, и исполнению. Так, например,

мыши могут быть: проводными, оптическими, беспроводными, ассиметричными, шариковыми, трекболами, эргономичными и т.д.

Современная мышь сильно отличается от своей прародительницы и имеет не одну, а иногда и более десятка кнопок для выполнения функций управления вводом (Рис. 5.7а,б,в,г)

Рис. 4.6 Первая мышь

Устройством ввода служат также внешние запоминающие устройства

(ВЗУ) – это компакт-кассеты, магнитные ленты и магнитные диски. Информация, которая вводится с этих устройств, должна быть получена также с помощью компьютера. ВЗУ служат для передачи информации с одного компьютера на другой. Эти устройства будут рассмотрены в разделе, посвященном видам памяти компьютера.

К устройствам вывода информации относятся, например, дисплей (Рис. 4.8) и принтер.Монитор или дисплей (display – показ) предназначен для отображения текстовой и графической информации. Мониторы бывают цветными и монохромными. Они могут работать в одном из двух режимов:

текстовомилиграфическом(рис. 4.9).

4.7Разновидности современных мышей

Втекстовом режиме экран монитора условно разбивается на отдельные

участки – знакоместа (раньше, это чаще всего 25 строк по 80 символов). В графическом режиме экран монитора представляет собой область, разбитую на клетки или точки, размер этих точек – это минимальная единица изображения, которую монитор может воспроизвести четко и раздельно. Эти точки называются пикселями. Пиксели могут храниться, адресоваться и показываться.

Количество пикселей, которое может воспроизвести монитор, называется его разрешающей способностью.

Для обозначения разрешающей способности различных процессов преобразования изображений (сканирование, печать, растеризация и т. п.) используют следующие термины:

dpi (англ.dotsperinch) — количество точек на дюйм;

ppi (англ. pixelsperinch) — количество пикселей на дюйм;

lpi (англ. linesperinch) — количество линий на дюйм;

spi (англ. samplesperinch) — количество сэмплов на дюйм

Рис. 4.5Мониторы ПК – а) с электронно-лучевой трубкой; б) - жидкокристаллический

По историческим причинам величины стараются приводить к dpi, хотя с практической точки зрения ppiболее однозначно характеризует для потребителя процессы печати или сканирования. lpi широко используется в полиграфии. spi используется для описания внутренних процессов устройств или алгоритмов.

Разрешение устройства описывает максимальное разрешение изображения, получаемого с помощью устройства ввода или вывода. Например, под разрешением экрана монитора обычно понимают размеры изображения в пикселах: 800 × 600, 1024 × 768, 1280 × 1024. Разрешение принтера, сканера обычно указывают в DPI: 300 DPI, 600 DPI, 1200 DPI.

Для типичных разрешений мониторов и экранов устройств существуют устоявшиеся буквенные обозначения:

•QVGA — 320×240; стандарт для PocketPC, КПК под управлением Linux, а также многих современных мобильных телефонов и смартфонов

•HVGA — 640×240 или 320×480; применялись в КПК клавиатурной серии HPJornada и ряде КПК Psion или Palm/SonyClie соответственно