74497

Классификация электронных вычислительных машин. Принципы строения и функционирования ЭВМ Джона фон Неймана

Лекция

Информатика, кибернетика и программирование

Классификация электронных вычислительных машин Электронные вычислительные машины ЭВМ в настоящее время более применимый термин компьютеры являются основным элементом информационной системы. В общем случае ЭВМ можно классифицировать по ряду признаков. По принципу действия ЭВМ делятся на три больших класса в зависимости от формы представления информации с которой они работают: АВМ – аналоговые вычислительные машины непрерывного действия работают с информацией представленной в непрерывной аналоговой форме то есть в виде...

Русский

2014-12-31

122.5 KB

1 чел.

Компьютерные информационные технологии (КИТ)

Лекция 3

ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ Ч1.

В настоящее время к техническому обеспечению информационных систем относят   электронные вычислительные машины (компьютеры) и сетевое оборудование.

Сетевое оборудование будет изучаться в лекциях, посвященных компьютерным сетям.

3.1 Классификация электронных вычислительных машин

Электронные вычислительные машины (ЭВМ)- в настоящее время более применимый термин-  компьютеры- являются основным элементом информационной системы.

В общем случае ЭВМ можно классифицировать по ряду признаков.

1. По принципу действия  ЭВМ делятся на три больших класса в зависимости от формы представления информации, с которой они работают:

  •  АВМ – аналоговые вычислительные машины непрерывного действия, работают с информацией, представленной в непрерывной (аналоговой) форме, то есть в виде непрерывного ряда значений какой-либо физической величины (чаще всего электрического напряжения);
  •  ЦВМ – цифровые вычислительные машины дискретного действия, работают с информацией, представленной в дискретной (цифровой) форме;
  •  ГВМ – гибридные вычислительные машины комбинированного действия работают с информацией, представленной как в цифровой, так и в аналоговой форме. ГВМ совмещают в себе достоинства АВМ и ЦВМ. Их целесообразно использовать для решения задач управления сложными быстродействующими техническими комплексами.

2. По назначению ЭВМ можно разделить на три группы:

  •  универсальные ЭВМ предназначены для решения самых различных инженерно-технических задач: экономических, математических, информационных и других задач, отличающихся сложностью алгоритмов и большим объемом обрабатываемых данных. Они широко используются в вычислительных центрах коллективного пользования и в других мощных вычислительных комплексах. Характерными чертами универсальных ЭВМ является: высокая производительность; разнообразие форм обрабатываемых данных при большом диапазоне их изменения и высокой степени их представления; обширная номенклатура выполняемых операций, как арифметических, логических, так и специальных; большая емкость оперативной памяти; развитая организация системы ввода-вывода информации, обеспечивающая подключение разнообразных видов внешних устройств;
  •  проблемно-ориентированные ЭВМ служат для решения более узкого круга задач, связанных, как правило, с управлением технологическими процессами. Они используются для регистрации, накопления и обработки относительно небольших объемов данных, выполнения расчетов по относительно несложным алгоритмам. Проблемно-ориентированные ЭВМ обладают ограниченными по сравнению с универсальными ЭВМ аппаратными и программными ресурсами;
  •  специализированные ЭВМ используются для решения узкого круга задач или реализации строго определенной группы функций. Узкая ориентация ЭВМ позволяет четко определить их структуру, существенно снизить сложность и стоимость при сохранении высокой производительности и надежности их работы. К специализированным ЭВМ можно отнести, например, программируемые микропроцессоры специального назначения для согласования и сопряжения работы узлов вычислительных систем или специализированного технологического обрудования..

3. По размерам и функциональным возможностям ЭВМ делятся на:

  •  сверхбольшие (суперЭВМ) – мощные многопроцессорные вычислительные машины с быстродействием сотни миллионов - десятки миллиардов операций в секунду, и с объемом оперативной памяти в десятки Гбайт. В настоящее время в мире насчитывается несколько тысяч суперЭВМ, таких как  Cray 3, Cray 4, Cray Y-MP C90 фирмы Cray Research, Cyber 205 фирмы Control Data, SХ-3 и SХ-Х фирмы NЕС, VP 2000 фирмы Fujitsu (Япония), VРР 500 фирмы Siemens (ФРГ). Среди лучших суперЭВМ можно отметить и суперкомпьютер «СКИФ», в рамках союзного договора между Россией и Беларусью.
  •  большие ЭВМ чаще всего называют мэйнфреймами (Mainframe). К мэйнфреймам относят, как правило, компьютеры, имеющие производительность десятки миллионов операций в секунду, емкость памяти до 1000 Мбайт и многопользовательский режим работы. Основные направления эффективного применения мэйнфреймов – это решение научно-технических задач, работа в вычислительных системах с пакетной обработкой информации, работа с большими базами данных, управление вычислительными сетями и их ресурсами. Родоначальником современных больших ЭВМ является фирма IBM.
  •  малые (мини-ЭВМ) используются чаще всего для управления технологическими процессами. Они более компактны и значительно дешевле больших ЭВМ. Мини-ЭВМ имеют быстродействие десятки миллионов операций в секунду, объем оперативной памяти 512 Мбайт, и могут также поддерживать многопользовательский режим.
  •  сверхмалые (микро-ЭВМ) обязаны своим появлением изобретению микропроцессора. Именно наличие микропроцессора служило первоначально определяющим признаком микроЭВМ, хотя сейчас микропроцессоры используются во всех без исключения классах ЭВМ. Микро-ЭВМ делятся на универсальные и специализированные; в свою очередь и универсальные и специализированные микро-ЭВМ делятся на многопользовательские и однопользовательские:
    •  Универсальные многопользовательские микроЭВМ представляют собой мощные микроЭВМ, оборудованные несколькими видеотерминалами и функционирующие в режиме разделения времени, что позволяет эффективно работать на них сразу нескольким пользователям.
    •  Универсальная однопользовательская микро-ЭВМ – это ничто иное, как хорошо известный персональный компьютер (ПК).
    •  Специализированные многопользовательские микро-ЭВМ используются в сетевых вычислительных системах и называются серверами.
    •  Специализированные однопользовательские микро-ЭВМ представляют собой рабочие станции, и используются для выполнения определенного вида работ (графических, инженерных, издательских и др.).

Следует отметить, что приведенная выше классификация ЭВМ носит достаточно условный характер и может быть расширена по ряду других признаков.

2.1  Принципы строения и функционирования ЭВМ Джона фон Неймана

Подавляющее большинство современных ЭВМ функционируют на основе принципов, сформулированных в 1945 году американским ученым венгерского происхождения Джоном фон Нейманом:

  1.  Принцип двоичного кодирования. Согласно этому принципу, вся информация, поступающая в ЭВМ, кодируется с помощью двоичных  символов (сигналов).

Единица двоичной информации называется битом. Бит информации может принимать значение либо «0» либо «1».

Существуют также другие единицы измерения двоичной информации:

1 Байт= 8 Бит

1 Кбайт = 2 10 Байт = 1024 Байт = 1024 х 8 = 8192  Бит

1 Мбайт = 2 10 Кбайт

1 Гбайт = 2 10 Мбайт

1 Тбайт = 2 10 Мбайт

.

.

При помощи специальных программ осуществляется автоматический перевод чисел, символов, звука, изображения в двоичные числа и обратно.

Пример

Перевести двоичное число 10112 в десятичное.

Ответ: 11002 = 1х 2 3 + 1 х  2 2 + 0х 2 1 + 0х2 0 = 8+4+ 0+ 0 = 1210

Пример

Перевести десятичное число 2510   в двоичное число

Ответ: 110012

  1.  Принцип программного управления. Компьютерная программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором автоматически друг за другом в определенной последовательности.

Каждая команда кодируется некоторой последовательностью из нулей и единиц и помещается, как и число, в одной ячейке оперативной памяти. Команда состоит из двух частей: кодовой и адресной. Кодовая часть команды указывает, какое действие должно быть выполнено, а адресная определяет расположение в памяти компьютера исходных данных и результата.

Выборка программы из памяти осуществляется с помощью счетчика команд. Это специальное устройство, называемое регистром, последовательно увеличивает хранимый в нем адрес очередной команды на длину команды. А так как команды программы расположены в памяти друг за другом, то тем самым организуется выборка цепочки команд из последовательно расположенных ячеек памяти. Если же нужно после выполнения команды перейти не к следующей, а к какой-то другой, используются команды условного или безусловного перехода, которые заносят в счетчик команд номер ячейки памяти, содержащей следующую команду. Выборка команд из памяти прекращается после достижения и выполнения команды «стоп».
Таким образом,
 процессор исполняет программу автоматически, без вмешательства человека.

  1.  Принцип однородности памяти. Программы и данные хранятся в одной и той же памяти. Поэтому ЭВМ не различает, что хранится в данной ячейке памяти - число, текст или команда. Над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными.

  1.  Принцип адресности. Структурно основная память состоит из пронумерованных ячеек, любая из которых  которая  доступна процессору в произвольный момент времени.

Согласно фон Нейману, ЭВМ состоит из следующих основных блоков (рис 2.1):

1) устройства ввода/вывода информации;

2) памяти ЭВМ;

3) процессора, включающего устройство управления (УУ) и арифметико-логическое устройство (АЛУ)

.

В ходе работы ЭВМ информация через устройства ввода попадает в память

Процессор извлекает из памяти обрабатываемую информацию, работает с ней и помещает в нее результаты обработки. Полученные результаты через устройства вывода сообщаются человеку.

За прошедшие десятилетия процесс совершенствования ЭВМ шел в рамках приведенной структуры.

3. 3 Персональные компьютеры. Типовой комплект персонального компьютера

Как указывалось выше, персональный компьютер представляет собой универсальную однопользовательскую микроЭВМ.

Персональный компьютер (ПК) в первую очередь является  общедоступной ЭВМ и  обладает определенной универсальностью.

В общем случае, для удовлетворения потребностей пользователя ПК должен обладать следующими свойствами:

  •  иметь относительно небольшую стоимость, находящуюся в пределах доступности для индивидуального покупателя;
  •  обеспечивать автономность эксплуатации без специальных требований к условиям окружающей среды;
  •   обеспечивать гибкость архитектуры,  делающей возможным  ее перестройку для разнообразных применений в сфере управления, науки, образования, в быту;
  •  операционная система и программное обеспечение  должно быть достаточно простым, чтобы с ПК мог работать пользователь без профессиональной специальной подготовки;
  •  высокую надежность работы (более 5000 ч наработки на отказ).

В соответствии с международным стандартом-спецификацией PC99 ПК по назначению делятся на следующие категории:

  1.  массовый ПК (Consumer);
  2.  деловой ПК (Office PC);
  3.  портативный ПК (Mobile PC);
  4.  рабочая станция (Workstation PC);
  5.  развлекательный ПК (Entertainment PC).

Большинство ПК, присутствующих в настоящее время на рынке, попадают в категорию массовых ПК. Для деловых ПК минимизированы требования к средствам воспроизведения графики, а к средствам работы со звуковыми данными требования вообще не предъявляются. Для портативных ПК обязательным является наличие средств для создания соединений удаленного доступа, то есть средств компьютерной связи. В категории рабочих станций повышены требования к устройствам хранения данных, а в категории развлекательных ПК – к средствам воспроизведения звука и видео.

По поколениям ПК подразделяются:

  •  ПК 1-го поколения - используют 8-битные микропроцессоры;
  •  ПК 2-го поколения - используют 16-битные микропроцессоры;
  •  ПК 3-го поколения .-используют 32-битные микропроцессоры;
  •  ПК 4-го поколения - используют 64-битные микропроцессоры.

ПК можно также разделить на две большие группы: стационарные и переносные. К переносным компьютерам относятся ноутбуки, электронные записные книжки,  секретари и  блокноты.

В соответствии со  структурой ЭВМ Джона фон Неймана типовой комплект ПК должен обеспечивать функционирование основных структурных составляющих.

Конструктивно типовой комплект состоит из системного блока, монитора, клавиатуры, мыши и печатающего устройства (принтера).

Внутри системного блока находятся два из трех основных структурных составляющих: процессор и память.

Системный блок включает:

  1.  системную (материнскую) плату, где расположены процессор, оперативная и постоянная память, которые выполнены в виде больших интегральных микросхем (БИС). Кроме них на системной плате расположены генератор тактовых импульсов (ГТИ) и специальные переключатели, которые необходимы для обеспечения работы компьютера при выбранном составе внешних устройств.
    1.  адаптеры, контроллеры и порты – устройства, обеспечивающие связь с внешними устройствами;
      1.  накопители на жестких магнитных дисках (НЖМД), на гибких магнитных дисках (НГМД), на оптических дисках (НОД);
      2.  блок питания.

Примечание. Конструктивно адаптеры, контроллеры могут располагаться непосредственно на системной плате.

Монитор, клавиатура, мышь и принтер являются базовыми устройствами ввода/вывода, обеспечивающими минимально необходимые функции ПК. С помощью клавиатуры пользователем в ПК вводится символьно-цифровая информация.

Монитор (экран) служит для отображения информации в удобном для пользователя виде. Мониторы в настоящее время подразделяются на мониторы с электронно-лучевой трубкой и жидко кристальные мониторы. Размеры мониторов измеряются в дюймах (||) по диагонали. Стандартными являются 14||, 15||,17||,19||,22|| - мониторы. Кроме размеров важнейшей характеристикой монитора является частота обновления. Чем выше частота обновления, тем лучше качество изображения. Современные мониторы работают на частоте 75, 85, 100 или 120 Гц. Наилучшим качеством отличаются мониторы фирм LG и Samsung.

Мышь позволяет в графической среде WINDOWS осуществлять управление курсором на экране монитора, а также запускать выполнение команд и программ. Мыши бывают механические и оптические.

С помощью принтера осуществляется вывод информации на бумажные носители. В зависимости от способа и принципа печати принтеры делятся на лазерные, струйные (чернильные) и матричные (игольчатые). Наиболее распространенными в настоящее время на рынке являются принтеры фирм Hewlett-Packard, Epson, Lexmark, Xerox.

3. 4 Структурная схема ПК. Внутренние устройства ПК

Структурная схема ПК представлена на рис. 2.

Микропроцессор (МП) является основным элементом ПК и предназначен для управления работой всего ПК, а также для выполнения арифметических и логических операций. В настоящее время наиболее распространенными моделями являются микропроцессоры Pentium, Celeron фирмы Intel и Athlon фирмы AMD.В состав микропроцессора входят:

  •  арифметико-логическое устройство (АЛУ) предназначено для выполнения всех арифметических и логических операций над числовой и символьной информацией (в некоторых моделях ПК для ускорения выполнения операций к АЛУ подключается дополнительный математический сопроцессор);
  •  регистры общего назначения (РОН) – это быстродействующие ячейки памяти, используемые в основном как  различные счетчики и указатели на адресное пространство ПК.  В современных микропроцессорах имеется шестнадцать 64 –х битных регистров общего назначения. Обращение к  регистрам позволяет значительно увеличить быстродействие выполняемой программы;
  •  кэш-память – блок высокоскоростной памяти, в которую копируются данные, извлеченные из оперативной памяти. Такое сохранение основных команд позволяет повысить производительность процессора. Современные микропроцессоры  имеют кэш-память первого (L1) и второго (L2) уровней. Кэш-память первого  уровня (L1), как правило, имеет объем 128 Кбайт, емкость кэш- памяти второго уровня достигает 1 Мбайта;
  •  устройство управления (УУ) - формирует и подает во все элементы ПК в нужные моменты времени определенные сигналы управления (управляющие импульсы), обусловленные спецификой выполняемой операции и результатами предыдущих операций;
  •  схемы управления шиной реализуют сопряжение и связь с другими устройствами ПК через системную шину.

Системная шина обеспечивает сопряжение и связь всех устройств ПК между собой. Системная шина включает в себя:

  •  шину данных для параллельной передачи всех разрядов числового кода (машинного слова) операнда;
  •  шину адреса для параллельной передачи кода адреса ячейки памяти или порта ввода-вывода внешнего устройства;
  •   шину управления для передачи инструкций (управляющих сигналов, импульсов) во все блоки машины;
  •  шину питания для подключения блоков ПК к системе энергопитания.

Системная шина обеспечивает три направления передачу информации между всеми устройствами системного блока.

  •  между микропроцессором и внутренней памятью;
    •  между микропроцессором и портами ввода-вывода внешних устройств;
    •  между внутренней памятью и портами ввода-вывода внешних устройств (в режиме прямого доступа к памяти).

Современные системные шины имеют разрядность 64 бита и тактовую частоту до 800 Мгц.

Генератор тактовых импульсов (ГТИ) генерирует последовательность электрических импульсов. Промежуток времени между соседними импульсами определяет время одного такта работы машины или просто такт работы машины. Частота генератора тактовых импульсов является одной из основных характеристик ПК и во многом определяет скорость его работы, так как каждая операция в машине выполняется за определенное количество тактов. Современные ПК имеют тактовую частоту до 3, 6 ГГц.

Внутренняя память предназначена для хранения и обмена информацией. Внутренняя память содержит два вида запоминающих устройств: постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) и оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) В английской литературе ROM (read only memory) и RAM (rendom access memory). ПЗУ служит для хранения неизменяемой (постоянной) программной и справочной информации, позволяет оперативно только считывать хранящуюся в нем информацию (изменить информацию в ПЗУ нельзя!). В ПЗУ хранятся программы самотестирования ПК при включении питания, программы начальной загрузки операционной системы, программы установки конфигурации системы и некоторые другие.

ОЗУ предназначено для оперативной записи, хранения и считывания информации (программ и данных), непосредственно участвующей в информационно - вычислительном процессе, выполняемом ПК в текущий период времени. Главными достоинствами оперативной памяти являются ее высокое быстродействие и возможность обращения к каждой ячейке памяти отдельно (прямой адресный доступ к ячейке). В качестве недостатка ОЗУ следует отменить невозможность сохранения информации в ней после выключения питания машины (энергозависимость). Современные  ПК имеет ОЗУ объемом 128 или 256 Мбайт типа DIMM DDR SDRAM. DIMM (Double In-Line Memory Module) – это удвоенный конструктивный  модуль, устанавливаемый на системную плату, а DDR SDRAM (Double Data Rate Synchronous Dynamic RAM ) является синхронной динамической  памятью с удвоенной пропускной способностью.

Видеоадаптеры (видеокарты) предназначены для подключения монитора к компьютеру. Физически они осуществляют формирование сигнала для отображения на дисплее данных и синхронизирующими сигналами -горизонтальной и (строчной) и вертикальной (кадровой) развертки. В настоящее время широко используется стандарт SVGA (Super Video Graphics Array). Видеоустройства, поддерживающий стандарт SVGA, способны отображать до 16,8 миллионов цветов и обеспечивают максимально качественное изображение, приближенное к натуральному цвету.

Контроллеры НЖМД, НГМД и НОД представляют собой специализированные устройства, обеспечивающие подключение и функционирование накопителя на жестких магнитных диска (НЖМД -«винчестер»), накопителя на гибких магнитных дисках (НГМД- дискета) и накопителя на оптических дисках (CD-диск ) соответственно.

Сетевой адаптер (сетевая плата) является устройством для подключения ПК к локальной компьютерной сети. Наиболее распространенными в настоящее время являются сетевые адаптеры, функционирующие на основе технологии Ethernet и Fast Ethernet и обеспечивающие скорости передачи данных 10 и 100 Мбит/с соответственно.

Порты (интерфейсы) представляют собой совокупность программных и аппаратных средств для подключения внешних устройств. Конструктивно порты на системном блоке представляют собой стандартные разъемы. Параллельные порты (LPT) позволяет передавать за один такт целый байт информации и применяется для быстрой связи на небольших расстояниях. Последовательные порты (COM) за один такт передают один бит и, в общем случае, работает медленнее, но позволяет передавать данные на большие расстояния. Следует, однако, отметить, что современные последовательные порты типа USB и IEEE1394 превосходят по скорости параллельные, и поэтому вытесняют последние. Специальные порты служат для подключения клавиатуры, микрофона и динамиков (для управления последними используется звуковая карта – мультимедийное устройство, позволяющее воспроизводить музыку и внятную человеческую речь). Игровой порт служит для подключения специального механического устройства джойстика, используемого в компьютерных играх.

Слоты расширения представляют собой пустые разъемы на системной плате, куда могут вставляться дополнительные внутренние устройства.


PAGE  4


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

39662. Социальные организации 243.5 KB
  Социальные организации Лекция Череповец 2005 Содержание лекции Понятие организации. Подходы к определению организации: К. Элементы организации: социальная структура участники цели технология. Социальные свойства организации.
39663. Социальные институты 151 KB
  Явные функции социальных институтов: закрепления и воспроизводства общественных отношений регулятивная интегративная транслирующая коммуникативная. Типология социальных институтов. Виды и функции социальных институтов. Разрабатывая понятие института представители этого направления трактовали его в содержательном плане как группу людей объединенных какимилибо идеями для выполнения какихлибо функций а в формализованном категориальном виде – как систему социальных ролей организующую систему поведения и социальных отношений.
39664. СОЦИОЛОГИЯ СЕМЬИ 220 KB
  СОЦИОЛОГИЯ СЕМЬИ Лекция Череповец 2007 Тема 2. Социология семьи1 Содержание лекции Понятие семьи и брака. Особенности связей и структура семьи. Историческое развитие семьи: промискуитет.
39665. СОЦИАЛЬНЫЕ ПРОЦЕССЫ, ИЗМЕНЕНИЯ И ДВИЖЕНИЯ 176 KB
  Виды социальных процессов. Берджес о классификации основных социальных процессов: кооперация конкуренция приспособление конфликт ассимиляция амальгамизация. Всеобщий характер социальных изменений. Понятие и виды социальных изменений.
39666. СОЦИАЛЬНАЯ МОБИЛЬНОСТЬ 176.5 KB
  Природа социальной мобильности. Сорокин о социальной мобильности и ее механизмах. Источники социальной мобильности. Типология социальной мобильности.
39667. УПРАВЛЕНИЕ В ОРГАНИЗАЦИИ 140.5 KB
  Понятие и функции управления. Объекты и методы управления. Структуры управления в организациях. Типы структур управления организациями: бюрократический и органический: достоинства и недостатки.
39668. СОЦИОЛОГИЯ КОНФЛИКТА 160 KB
  СОЦИОЛОГИЯ КОНФЛИКТА Лекция Череповец 2003Тема 3. Социология конфликта Содержание лекции Природа конфликта в организации. Понятие конфликта. Типы конфликта.
39669. СОЦИАЛЬНЫЙ КОНТРОЛЬ И ДЕВИАНТНОЕ ПОВЕДЕНИЕ 231.5 KB
  Социальный контроль как механизм социальной регуляции поведения людей. Они не только обучают детей но и контролируют правильность усвоенных образцов поведения и следовательно выступают агентами социального контроля. Он выступает средством социальной регуляции поведения людей. Объяснить сущность и причины отклоняющего поведения.
39670. Социология труда 173 KB
  Социология труда Содержание процесса трудовой деятельности. Труд как предмет социологии труда. Предметная область социологии труда. особенности социологического исследования труда Содержание труда как социального процесса.