Б
ЕЛОРУССКИЙ
ИНСТИТУТ ПРАВОВЕДЕНИЯ
Дистанционное образование
А.И.Бородина, Л.И.Крошинская, О.Л.Сапун
ОСНОВЫ ИНФОРМАТИКИ
И ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ
Электронные вычислительные машины.
Персональные компьютеры
Минск
2004
Б ЕЛОРУССКИЙ ИНСТИТУТ ПРАВОВЕДЕНИЯ
Дистанционное образование
А.И.Бородина, Л.И.Крошинская, О.Л.Сапун
ОСНОВЫ ИНФОРМАТИКИ
И ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ
Электронные вычислительные машины.
Персональные компьютеры
Минск
ООО «БИП-С Плюс»
2004
Электронные вычислительные машины.
Персональные компьютеры
ТЕМАТИЧЕСКИЙ ПЛАН
Организация и основы функционирования ЭВМ.
Классическая структурная схема ЭВМ и назначение ее основных узлов.
Классификация ЭВМ.
Классификация персональных компьютеров.
Характеристика основных устройств ПК.
Характеристика дополнительных устройств ПК.
Литература.
Глоссарий.
Тесты.
Тренинг умений.
краткая аннотация
Рассматриваются основы организации и функционирования ЭВМ. Дается описание основных элементов процесса вычислений. Приводится классификация ЭВМ по различным признакам. Рассматриваются вопросы классификации персональных ЭВМ, характеристика основных и дополнительных устройств персонального компьютера.
1. Организация и основы функционирования ЭВМ
Среди всех изобретений человека трудно найти другое, развивающееся столь же динамично, как вычислительная техника. Конструкция вычислительной машины создавалась с учетом тех действий, которые выполняет человек при обработке информации. В самом деле, любому процессу вычислений, который производится человеком, свойственны следующие основные элементы: хранение информации, обработка информации, управление вычислительным процессом.
Хранение информации. Здесь под информацией подразумеваются исходные данные, промежуточные и окончательные результаты счета, а также формулы и способ счета, различного рода условия и т.п. Эта информация человеком частично запоминается, частично записывается на бумаге. Часть информации берется из различных справочников и таблиц. Память человека, бумага, справочники и таблицы являются различными видами запоминающих устройств.
Обработка информации. При обработке информации производится обмен информацией между устройством, предназначенным для выполнения арифметических действий, и запоминающим устройством: исходные данные с листа бумаги переносятся в машину, а затем результат вычислений снова записывается на бумаге или запоминается человеком.
Управление вычислительным процессом. В соответствии с планом вычислений человек производит вычислительные операции в определенной последовательности, каждый раз, решая, какие данные, в каком порядке обрабатывать. Автоматически управляемая вычислительная машина должна быть устроена так, чтобы все перечисленные элементы процесса вычислений осуществлялись в ней без участия человека во время ее работы. В соответствии с этим требованием вычислительная машина должна содержать различные устройства, осуществляющие эти элементы процесса вычислений.
В каждой вычислительной машине должна быть обеспечена возможность сообщить машине (поместить в нее) все необходимое для решения задачи. Чтобы иметь такую возможность, нужно специальное устройство, позволяющее воспринимать информацию из внешнего мира и передать ее в машину. Такое устройство называется устройством ввода.
Информация, которая посредством устройства ввода передается в вычислительную машину, попадает в устройство, которое по аналогии с человеческой памятью называют обычно памятью машины. Иногда слово «память» заменяют словом «запоминающее устройство».
Любая электронная цифровая вычислительная машина имеет оперативную и внешнюю память. Здесь есть аналогия с памятью человека. Несмотря на то, что мозг человека является отличной памятью, мы не можем им ограничиться. Все, что по каким-либо причинам трудно или не нужно держать в памяти, люди фиксируют на бумаге (в виде записных книжек, справочников, книг и др.).
Оперативная память разбивается на части – ячейки памяти. Ячейка – это участок памяти машины, предназначенный для хранения информации, которой может быть либо команда, либо число, либо набор символов, являющихся частью обрабатываемого текста. То есть память можно представить в виде запоминающей среды, состоящей из множества ячеек. Разбиение памяти на ячейки является условным и вызвано удобством обращения к ней. В действительности же ячейки памяти, как правило, не является каким-либо самостоятельным устройством машины.
Информация, записанная в некоторую ячейку, хранится в ней до тех пор, пока в эту же ячейку не будет записана новая информация. При этом все, что хранилось до этого момента в данной ячейке, автоматически уничтожается (стирается). При считывании информации, хранящейся в некоторой ячейке, эта информация продолжает оставаться в ней, т.е. из памяти выдается как бы «копия» данного слова для передачи ее в другие устройства машины, сам же «оригинал» продолжает храниться на прежнем месте.
Расположение информации в памяти определяется адресами (номерами) полей памяти. Каждый адрес служит именем ячейки.
В современных моделях ЭВМ выделяют еще постоянную память (постоянное запоминающее устройство). Постоянная память (ПЗУ) характеризуется тем, что запись информации в ней выполняется на предприятии-изготовителе, после чего любые изменения состояния памяти становятся невозможными.
Но основная цель машины – переработка информации, производство вычислительных и других действий. Устройство машины, предназначенное для этой цели, называется арифметическим устройством. Арифметическое устройство обладает способностью получать информацию, например, в виде чисел, из памяти, производить некоторые операции и отправлять полученные результаты обратно в память.
Однако недостаточно ввести в машину числа, произвести над ними требуемые операции. Нужно, чтобы с этими результатами мог познакомиться человек, иначе работа вычислительной машины теряет смысл. Значит, необходимо каким-то образом преобразовать информацию в доступную для восприятият человеком. Для этой цели в вычислительных машинах предусматривается специальное устройство, которое называется устройством вывода. С помощью устройства вывода обеспечивается передача результатов работы вычислительной машины во внешний мир.
Для связи пользователя с машиной предусмотрена клавиатура. С помощью клавиатуры можно вмешаться в работу и выполнить некоторые другие действия.
Вопросы для самоконтроля
Из каких элементов состоит любой процесс вычислений?
Что подразумевается под термином «хранение информации»?
Что происходит при обработке информации в процессе вычислений?
Какое устройство называется устройством ввода?
Что такое «память» машины?
Какие виды памяти существуют?
Какое устройство ЭВМ служит для переработки информации?
Для каких целей используется в ЭВМ устройство вывода?
Каково назначение клавиатуры?
2. Классическая структурная схема эвм и назначение ее основных узлов
В функциональном отношении любая ЭВМ состоит из элементов – узлов и устройств.
Элемент – функциональная единица ЭВМ, выполняющая элементарную операцию над одной или несколькими цифрами и представляющая собой законченную электрическую схему. Примерами могут служить логические элементы, выполняющие функции алгебры-логики: И, ИЛИ, НЕ и др.
Узел – функциональная единица ЭВМ, состоящая из элементов и выполняющая операции над одним или несколькими числами или словами. Примерами могут служить сумматоры, счетчики, дешифраторы и др.
Устройство – функциональная единица ЭВМ, состоящая из элементов и узлов и выполняющая арифметические и логические операции, операции ввода-вывода данных и управления ходом вычислительного процесса. Например арифметические и запоминающие устройства, устройство управления, внешние устройства и другие.
Электронная вычислительная машина – это совокупность устройств, способных выполнять разнообразные арифметические, логические операции и др. без участия человека. Структура вычислительной машины – это отображение состава устройств машины и путей обмена информации между устройствами.
Первая ЭВМ была разработана в 1943 г., быстродействие такой ЭВМ было 5 000 операций сложения в секунду, весила она более 30 тонн и энергии потребляла в 1 000 раз больше, чем персональный компьютер. Состояла она из 18 000 электронных ламп.
Технология изготовления ЭВМ постоянно изменялась, но на протяжении большей части своего существования ЭВМ сохраняла архитектуру, предложенную в 40-х гг. XX в. выдающимся математиком Джоном фон Нейманом. Согласно этой модели все оборудование вычислительной машины разбивается на пять главных элементов:
центральный вычислительный блок;
устройство ввода;
устройство вывода;
память;
массовое хранилище данных.
Модель фон Неймана легла в основу практически всех созданных компьютеров. Джон фон Нейман сформулировал следующие основные принципы функционирования ЭВМ:
необходимость использования двоичной системы счисления;
иерархическая организация памяти;
создание арифметического устройства на основе схем, реализующих операции сложения, и указание на то, что создание специализированных устройств для выполнения других операций не целесообразно;
параллельная организация вычислений, когда операции над числами осуществляются одновременно по всем разрядам.
Одной из главных концепций Джона фон Неймана была концепция хранимой программы: программа хранится в памяти машины точно так же, как и числа. Это позволяет оперировать с закодированной в двоичном коде программой так же, как и с числами, что дает возможность изменять программу по ходу ее выполнения (этот процесс называется переадресацией).
Джон фон Нейман внес фундаментальный вклад в развитие идей конструирования ЭВМ и программирования. В 1947 г. по его идеям разрабатывались английские машины ЭДВАК и ЭДСАК, а в 1951г. – СЕАК и УНИАК (США). Это был поворотный пункт истории, с которого началось стремительное развитие вычислительной техники. В дальнейшем такие ЭВМ развивались достаточно быстро благодаря использованию новейших достижений науки и техники (рис.1).
ОЗУ
ПЗУ
ВЗУ
Системная
шина
Процессор
АЛУУ
РОН
Устройства ввода
ввода
Устройства вывода
УУ
КЭШШ
Рис.1. Основные элементы ЭВМ
Основными элементами ЭВМ являются:
процессор;
память;
системная шина;
устройства ввода информации;
устройства вывода информации.
Процессор выполняет логические и арифметические операции, определяет порядок выполнения операций. Процессор работает под управлением программы. В состав процессора входят:
арифметико-логическое устройство (АЛУ);
устройство управления (УУ);
регистры общего назначения (РОН);
кэш-память (КЭШ).
Арифметико-логическое устройство осуществляет арифметические и логические операции над данными.
Устройство управления отвечает за порядок выполнения команд, из которых состоит программа.
В регистрах общего назначения сохраняются промежуточные результаты расчетов.
Кэш-память служит для повышения быстродействия процессора.
Память предназначена для записи, хранения, выдачи данных. Существуют следующие виды памяти:
оперативная память (ОЗУ);
постоянная память (ПЗУ);
внешняя память (ВЗУ).
Оперативная память (ОЗУ) используется для кратковременного хранения изменяемой в процессе выполнения процессором вычислительной операции. ОЗУ используется для хранения программ пользователя, исходных данных, выходных и промежуточных данных. При выключении ЭВМ информация, которая хранилась в ОЗУ, теряется.
Постоянная память (ПЗУ) используется для хранения не изменяющейся при работе ЭВМ информации. Такой информацией является, например, тестовая программа, которая стартует при включении ЭВМ и проверяет работоспособность всех устройств, как внутренних, так и внешних, драйверы устройств и др.
Внешняя память (ВЗУ) предназначена для долговременного хранения информации. К устройствам внешней памяти относятся накопители на магнитной ленте, накопители на жестких дисках (винчестер), накопители на гибких дисках (дискеты), накопители на оптических дисках и т.д..
Системная шина используется для передачи информации между процессором и остальными устройствами ЭВМ. Она состоит из:
шины управления;
шины данных;
адресной шины.
Данные (в качестве данных могут выступать программы и команды) пересылаются по шине данных по адресам, которые указаны на адресной шине. Шина управления отслеживает, чтобы данные при перемещении не мешали друг другу и перемещались по очереди.
Устройства ввода информации предназначены для ввода информации (данных и команд) с внешнего носителя в память компьютера. К таким устройствам относятся:
клавиатура;
манипулятор ввода «мышь»;
сканер;
цифровая видеокамера;
микрофон и т.д.
Устройства вывода информации осуществляют вывод информации на внешние устройства. К ним относятся:
дисплей;
принтер;
графопостроитель;
акустические колонки и др.