2. Архитектура и устройства
компьютерной техники
Электронная вычислительная машина, компьютер
– комплекс технических средств,
предназначенных для автоматической обработки
информации в процессе решения вычислительных
и информационных задач.
Классы:
АВМ
ЦВМ
ГВМ
3. История развития
вычислительной техники
Пожалуй, первой реально созданной машиной для
выполнения арифметических действий в
десятичной системе счисления можно считать
счетную машину Паскаля. В 1642 г. Б. Паскаль
продемонстрировал ее работу.
Первой вычислительной машиной, реализующей
автоматическое выполнение последовательности
действий, можно считать разностную машину
Беббеджа (1792–1871).
4. История развития
вычислительной техники
Идеи аналитической машины Беббеджа были использованы в
релейных машинах, выпускавшихся в 30–40-х годах XX века.
Теоретической основой разработки релейно-контактных схем
явился аппарат булевой алгебры, который в дальнейшем
использовался для синтеза схем ЭЭВМ. Однако и электрические
реле как элементная база вычислительной техники не
удовлетворяли потребностям этой техники по всем основным
параметрам (быстродействие, надежность, потребляемая
мощность, стоимость, габариты и др.).
Только освоение электронных схем в качестве элементной базы
положило начало действительно массовому внедрению сначала
вычислительной, а потом и информационной техники во все
сферы человеческой деятельности. Первые электронные
цифровые вычислительные машины (ЭВМ) были разработаны и
выпущены на рубеже 40–50-х годов прошлого века в США,
Англии и чуть позднее – в СССР.
5. Поколения ЭВМ
Поколение Элементная база Годы Области применения
существования
Первое Электронные лампы 50–60 Научно-технические расчеты
Второе Транзисторы, 60–70 Научно-технические расчеты,
ферритовые планово-экономические
сердечники расчеты
Третье Интегральные схемы 70–80 Научно-технические расчеты,
планово-экономические
расчеты, системы управления
Четвертое СИС, БИС, СБИС и т. 80 и по сей Все сферы деятельности
д. день
6. Классическая архитектура ЭВМ
Считается, что основные идеи построения современных ЭВМ в 1945 г.
сформулировал американский математик Дж. фон Нейман, определив их
как принципы программного управления:
1. Информация кодируется в двоичной форме и разделяется на единицы –
слова.
2. Разнотипные по смыслу слова различаются по способу использования, но
не по способу кодирования.
3. Слова информации размещаются в ячейках памяти и идентифицируются
номерами ячеек – адресами слов.
4. Алгоритм представляется в форме последовательности управляющих
слов, называемых командами. Команда определяет наименование
операции и слова информации, участвующие в ней. Алгоритм,
записанный в виде последовательности команд, называется программой.
5. Выполнение вычислений, предписанных алгоритмом, сводится к
последовательному выполнению команд в порядке, однозначно
определенном программой.
7. Открытые системы
«Открытая архитектура» – понятие очень
широкое. В качестве основополагающих
предполагает реализацию следующих принципов.
1. Конструкция предусматривает возможность
расширения системы.
2. Использование технических решений, рабочих
режимов, технологий, не требует лицензионных
отчислений.
3. Конфигурирование (изменение состава системы)
возможно в процессе ее эксплуатации;
выполнение данной операции предоставлено
пользователю.
8. Системы счисления
Двоичная система счисления имеет основанием 2
и, соответственно, две цифры: 0 и 1.
Восьмеричная система счисления имеет
основание 8 и цифры 0, 1.....7.
Шестнадцатеричная система счисления имеет
основание 16 и цифры 0, 1,..., 9, А, В, С. D, E, F. При
этом знак А является шестнадцатеричной цифрой,
соответствующей числу 10 в десятичной системе,
В16 = 1110, С16 = 1210, D16 = 1310, E16 = 1410 и F16 = 1510
9. Представление информации
в ЭВМ
Понятия 1 и 0 являются условными, поскольку они
отражают два состояния цифровых систем:
«включено» и «выключено». При этом если 1
представляется высоким потенциалом (уровнем
электрического напряжения), а 0 – низким, то
имеют положительную потенциальную логику.
Соответственно при представлении 1 низшим
потенциалом, а 0 высоким получают
отрицательную потенциальную логику.
11. Представление информации
в ЭВМ
Согласно теории передачи информации максимальное
количество информации Ii, передаваемое одним
символом алфавита, равно двоичному логарифму
числа п, т. е.
Ii = log2n.
В этом случае величину Ii измеряют в единицах
информации – битах (от англ. слов binary digit, т. е.
«двоичная цифра»). Действительно, при двоичном
алфавите (п = 2)
Ii =log2 2 =1 бит.
Таким образом, мера информации 1 бит выражает
такое ее количество, которое может передать один
12. Представление информации
в ЭВМ
В большинстве ЭВМ число разрядов в группе
цифровых символов, несущих некоторую порцию
информации (так называемое «машинное слово»),
кратно 8. Поэтому информационная емкость
машинного слова кратна 8 бит. Единицу количества
информации достоинством 8 бит именуют байтом (от
англ. слова byte – слог), т.е. 1 байт = 8 бит.
13. Представление информации
в ЭВМ
В большинстве ЭВМ число разрядов в группе
цифровых символов, несущих некоторую порцию
информации (так называемое «машинное слово»),
кратно 8. Поэтому информационная емкость
машинного слова кратна 8 бит. Единицу количества
информации достоинством 8 бит именуют байтом (от
англ. слова byte – слог), т.е. 1 байт = 8 бит.
Машинные коды. Для алгебраического
представления чисел (т. е. для представления
положительных и отрицательных чисел) в машинах
используются специальные коды: прямой, обратный и
дополнительный.
16. Тождества и законы алгебры
логики
Переместительный закон
(коммутативности)
Сочетательный закон (ассоциативности)
Распределительный закон
(дистрибутивности)
Закон двойного отрицания
Закон инверсии или правило де Моргана
(двойственности)
18. Функционально полные
системы элементов (базис)
Базис – это функционально полный набор
элементов, с помощью которого можно
реализовать сколь угодно сложную
переключательную функцию. Их может быть
несколько. Базис из логических элементов И,
ИЛИ, НЕ называется основным. Функционально
полную систему элементов образует логический
элемент И–НЕ или И–НЕ, а также один элемент
И–ИЛИ–НЕ
23. Шифраторы и дешифраторы
Шифратором, или кодером, называется
комбинационное логическое устройство для
преобразования чисел из десятичной системы
счисления в двоичную. Входам шифратора
последовательно присваиваются значения десятичных
чисел, поэтому подача активного логического сигнала
на один из входов воспринимается шифратором как
подача соответствующего десятичного числа.
Дешифратором, или декодером называется
комбинационное логическое устройство для
преобразования чисел из двоичной системы
счисления в десятичную.
26. Цифровые компараторы
Цифровым компаратором называется
комбинационное логическое устройство,
предназначенное для сравнения чисел,
представленных в виде двоичных кодов.
Число входов компаратора определяется
разрядностью сравниваемых кодов. На выходе
компаратора обычно формируется три сигнала:
F= – равенство кодов;
F> – если числовой эквивалент первого кода больше
второго,
F< – если числовой эквивалент первого кода меньше
28. Арифметико-логическое
устройство
Арифметико-логическим устройством (АЛУ)
называется функционально законченный узел
ЭВМ, предназначенный для реализации
логических и арифметических операций по
обработке информации. Эти операции могут
выполняться либо аппаратным способом – с
использованием соответствующих электронных
устройств, либо программным способом – с
применением последовательного исполнения
нескольких операций, выполняемых аппаратным
способом.
29. Арифметико-логическое
устройство
Как правило, АЛУ снабжается двумя группами
входных и одной группой выходных выводов данных, а
также группой выходов, предназначенных для
получения вспомогательной информации. Обе группы
входных выводов (входных портов) снабжаются
буферными регистрами, предназначенными для
временного хранения данных. Каждый буферный
регистр способен хранить одно слово информации.
Разрядность этого слова определяется конкретным
типом устройства. Один входной порт АЛУ позволяет
принимать данные непосредственно с шины данных, а
второй – либо с шины данных, либо из
специализированного регистра, называемого
30. Сумматор
Сумматором называется комбинационное логическое
устройство, предназначенное для выполнения
операций арифметического сложения чисел,
представленных в виде двоичных кодов.
Сумматоры являются одним из основных узлов
арифметико-логического устройства.
31. Цифровые автоматы (триггеры,
регистры, счетчики)
Классификация. В цифровых автоматах в роли
элементов памяти используют микроэлектронные
триггеры различных модификаций.
Триггером называется устройство, способное
формировать два устойчивых значения выходного
сигнала (логического 0 и логической 1) и
скачкообразно изменять эти значения под действием
внешнего управляющего сигнала.
33. Регистры и цифровые
счетчики импульсов
Устройство, предназначенное для хранения
информации, представленной в двоичной форме,
называют регистром. Он состоит из связанных
друг с другом триггеров, каждый из которых
служит для хранения 0 или 1. Количество
триггеров определяет разрядность регистра.
Регистры могут выполнять также операции
приема, передачи и преобразования информации,
обеспечиваемые системой управления.
34. Запоминающие устройства
ЭВМ
Память ЭВМ – функциональная часть ЭВМ,
предназначенная для записи, хранения и выдачи
данных. В соответствии с этим различают три режима
заботы памяти: записи, хранения и считывания.
Запись в запоминающее устройство (ЗУ) или
считывание из него информации иначе называются
обращением к ЗУ. Быстродействие памяти
определяется продолжительностью операции
обращения к ЗУ. Время обращения tо при записи
информации складывается из времени поиска
операнда tп, стирания ранее записанной информации tст
(при необходимости) и записи нового числа tзп:
35. Запоминающие устройства
ЭВМ
Запоминающие устройства разделяют: по
использованию – на внешние и внутренние (или
оперативные); по назначению – на сверхоперативные,
оперативные, постоянные, буферные и внешние; по
физическим принципам действия – на
полупроводниковые, магнитные и оптические; по
способу хранения информации – на статические и
динамические; по способу доступа к заданной ячейке
(для адресных ЗУ) – с последовательным, циклическим
и произвольным доступом; по характеру обращения – с
адресным обращением (или адресной выборкой) и с
ассоциативным обращением (ассоциативной
выборкой).
38. Ссылки на материалы:
Данная презентация:
http://yadi.sk/d/H5szX6-43GBy8
Программа: http://yadi.sk/d/x99G1XSe3GBtG
УМК: http://yadi.sk/d/V948YWgd3GBve
ЛП: http://yadi.sk/d/j7tZTFYl3GBwS
Контакты для связи: anfalow@gmail.com
39. Видео материалы (youtube)
История персональных компьютеров
История персональных компьютеров ( 2 часть )
История персональных компьютеров ( 3 часть )
Сложение в микропроцессоре
Базовые принципы архитектуры фон Неймана
Системная шина персонального компьютера AGP
Системная шина персонального компьютера ISA
Системная шина персонального компьютера pci
express
Системная шина персонального компьютера PCI
40. Видео материалы (youtube)
Системная шина процессора
Системные шины персонального компьютера
Как это сделано Компьютерные процессоры
Тактовая частота микропроцессора
Устройство видеокарты
Флеш-память - принцип действия
Твердотельные накопители SSD
Что внутри? Жесткий диск
Магнитно-оптический диск
