- •Содержание
- •Информатика. Предмет и задачи
- •Структура информатики
- •Задачи информатики:
- •Измерение и представление информации
- •Сигналы Данные Методы Информация
- •Методы воспроизведения и обработки данных
- •Информационный процесс
- •Меры информации
- •Единицы измерения информации
- •Качественные свойства информации
- •Классификация информации
- •Хранение информации
- •Кодирование данных двоичным кодом
- •Системы счисления
- •Двоичная система счисления
- •Перевод из десятичной системы в двоичную
- •Арифметические операции с двоичными числами
- •Восьмеричная и шестнадцатеричная системы счисления
- •Кодирование числовых данных
- •Кодирование текстовых данных
- •Кодирование графических данных
- •Кодирование звуковых данных
- •Послесловие к лекции о кодировании данных в компьютере
- •Хранение данных в компьютере
- •Представление и обработка числовой информации в компьютере
- •История развития вычислительной техники
- •Классификация эвм по принципу действия
- •Поколения цифровых эвм
- •Архитектура эвм
- •Архитектура эвм, построенная на принципах фон Неймана
- •Структура современных эвм
- •Тенденции в развитии структуры современных эвм
- •Упрощенная структурная схема ibm pc совместимого компьютера
- •Структура и виды команд
- •Состав машинных команд
- •Основной цикл работы компьютера
- •Обработка прерываний
- •Состав вычислительной системы
- •Аппаратное обеспечение
- •Программное обеспечение
- •Классификация программных продуктов по сфере использования
- •Системное программное обеспечение
- •Операционная система
- •Ос как расширенная машина
- •Ос как система управления ресурсами
- •Функции ос
- •Понятие многозадачности
- •Установка приложений
- •Удаление приложений
- •Обеспечение взаимодействия с аппаратным обеспечением
- •Обслуживание компьютера
- •Прочие функции операционных систем
- •Особенности файловых систем
- •Файловые системы fat и fat32
- •Файловая система ntfs
- •Физическая структура ntfs
- •Mft и его структура.
- •Основные понятия ос Windows
- •Моделирование как метод решения прикладных задач
- •Моделирование как метод познания
- •Материальные и информационные модели
- •Формализация модели
- •Математическое моделирование
- •Классификация математических моделей по цели моделирования
- •Компьютерное моделирование
- •Этапы и цели компьютерного математического моделирования
- •Понятие алгоритма и его свойства
- •Определение алгоритма на основе рекурсивных функций
- •Определение алгоритма на основе абстрактных автоматов (машины Тьюринга)
- •Способы записи алгоритмов
- •Линейный алгоритм
- •Разветвляющийся алгоритм
- •Циклический алгоритм
- •Объекты алгоритма
- •Языки и системы программирования
- •Классификация языков программирования, их эволюция
- •Алгоритмические (процедурные) языки программирования
- •Декларативные (описательные) языки программирования
- •Объектно-ориентированные языки программирования
- •Языки создания сценариев (программирование для Интернета)
- •Языки программирования баз данных
- •Языки моделирования
- •Поколения языков программирования
- •Системы программирования и их компоненты
- •Архитектура программных систем
- •Технологии программирования
- •Основные этапы развития технологии программирования
- •Модули и их свойства
- •Нисходящая и восходящая разработка программного обеспечения
- •Структурное и «неструктурное» программирование
Тенденции в развитии структуры современных эвм
постоянно расширяется и совершенствуется набор внешних устройств, что приводит к усложнению связей между узлами ЭВМ;
вычислительные машины перестают быть однопроцессорными, для осуществления параллельных вычислений одна операция выполняется сразу несколькими процессорами;
использование быстродействующих ЭВМ не только для вычислений, но и для логического анализа данных;
возрастает роль межкомпьютерных коммуникаций, компьютеры объединяются в сети для совместной обработки данных.
Все это приводит к тому, что происходит пересмотр традиционной фон Неймановской архитектуры.
|
|
а) Однопроцессорная схема фон Неймана |
б) Многопроцессорная магистральная (конвейерная) схема |
|
|
в) Многопроцессорная векторная схема |
г) Многопроцессорная матричная схема |
В конвейерной архитектуре соответствующей схеме б) процессоры одновременно выполняют разные операции над последовательным потоком обрабатываемых данных (многократный поток команд и однократный поток данных).
В векторной архитектуре соответствующей схеме в) все процессоры одновременно выполняют одну команду над различными данными (однократный поток команд и однократный поток данных).
В матричной архитектуре соответствующей схеме г) все процессоры одновременно выполняют разные операции над несколькими последовательными потокоми обрабатываемых данных (многократный поток команд и многократный поток данных).
Кластерная архитектура. Из нескольких процессоров и общей для них памяти формируют вычислительный узел. Если вычислительной мощности полученного узла оказывается недостаточно, то объединяют несколько узлов высокоскоростными каналами. Именно это направление является наиболее перспективным в настоящее время.
Однако вместе со всем выше сказанным на данный момент подавляющее большинство существующих ЭВМ, несмотря на имеющиеся различия, по-прежнему состоят из одинаковых узлов и основано на общих принципах фон неймановской архитектуры.
Упрощенная структурная схема ibm pc совместимого компьютера
Микропроцессор (МП). Центральный блок ПК, предназначен для управления всеми блоками машины и для выполнения арифметических и логических операций над данными. В состав МП входит:
Устройство управления (УУ). УУ является функционально наиболее сложным устройством ПК. Оно формирует и подает во все блоки машины в нужные моменты времени определенные сигналы управления, обусловленные выполняемой операцией и результатами предыдущих операций; формирует адреса ячеек памяти, используемых выполняемой операцией; передает эти адреса в соответствующие блоки ЭВМ.
Функциональная схема устройства управления
Регистр команд – запоминающий регистр, в котором хранится код команды: код выполняемой операции и адреса операндов, участвующих в операции. Регистр команд расположен в интерфейсной части МП, в блоке регистров команд.
Дешифратор операций – логический блок, выбирающий в соответствии с поступающим из регистра команд кодом операции (КОП) один из множества имеющихся у него выходов.
ПЗУ микропрограмм – хранит в своих ячейках управляющие сигналы (импульсы), необходимые для выполнения в блоках ПК операций обработки данных. Импульс по выбранному дешифратором операций выходу считывает из ПЗУ микропрограмм необходимую последовательность управляющих сигналов.
Узел формирования адреса находится в интерфейсной части МП. Вычисляет полный адрес ячейки памяти (регистра) по реквизитам, поступающим из регистра команд и регистров МПП.
Арифметико-логическое устройство (АЛУ) выполняет все арифметические и логические операции над данными.
Двухрегистровая схема АЛУ
Сумматор – вычислительная схема, выполняющая процедуру сложения поступающих на ее вход двоичных кодов, имеет разрядность двойного слова.
Регистры – быстродействующие ячейки памяти различной длины: Регистр1 (Рг1) имеет разрядность двойного слова, а Регистр2 (Рг2) – разрядность слова.
При выполнении операций в Рг1 помещается первое число, участвующее в операции, а по завершении операции – результат; в Рг2 – второе число, участвующее в операции (по завершении операции данные в нем не изменяются). Рг1 может принимать данные с КШД, и выдавать данные на них, Рг2 только получает информацию с этих шин.
Схемы управления принимают от КШУ управляющие сигналы от устройства управления и преобразуют их в сигналы для управления работой регистров и сумматора АЛУ.
Микропроцессорная память (МПП) – память небольшой емкости, но чрезвычайно высокого быстродействия, служит для кратковременного хранения записи, выдачи данных, непосредственно используемых в вычислениях в ближайшие такты работы машины. Строится на регистрах и используется для обеспечения высокого быстродействия машины. Регистры – быстродействующие ячейки памяти различной длины в отличие от ячеек основной памяти (ОП), имеющих стандартную длину 1 байт и более низкое быстродействие.
Интерфейсная система реализует сопряжение и связь МП с другими устройствами ПК. Интерфейс – совокупность средств сопряжения и связи устройств компьютера, обеспечивающая их эффективное взаимодействие. К этой системе относятся так называемые порты ввода/вывода – аппаратура сопряжения, позволяющая подключить к микропроцессору другое устройство ПК.
Генератор тактовых импульсов генерирует последовательность электронных импульсов. Промежуток времени между импульсами определяет время одного такта работы машины. Тактовая частота определяет количество элементарных операций, выполняемых процессором за 1 секунду. Так как, каждая операция осуществляется за определенное количество тактов, то чем выше тактовая частота, тем выше быстродействие машины. Это одна из основных характеристик ПК. Измеряется в МГц (1 Гц = одна операция в секунду).
Системная шина. Основная интерфейсная система компьютера, обеспечивающая сопряжение и связь всех устройств между собой.
Системная шина обеспечивает три направления передачи информации:
МП ↔ основная память
МП ↔ порты ввода-вывода внешних устройств
Основная память ↔ порты ввода-вывода внешних устройств (в режиме ПДП).
Все блоки, а точнее их порты в/в подключаются к шине через соответствующие унифицированные разъемы одинаково: непосредственно или через контроллеры (адаптеры).
Управление системной шиной осуществляется МП либо непосредственно, либо через дополнительную микросхему – контроллер шины, который формирует основные сигналы управления.
Упрощенное представление работы процессора с ячейками памяти через системную шину:
Помещает на адресную шину требуемый адрес.
На шину управления устанавливает необходимую служебную информацию (операция – «чтение», устройство – «ОЗУ» и т.п.).
ОЗУ, увидев на адресной шине адрес, извлекает содержимое соответствующей ячейки и помещает его на шину данных.
Основная память (ОП). ОП предназначена для хранения и оперативного обмена данными с прочими блоками машины. Состоит из постоянно запоминающего устройства (ПЗУ/ROM) и оперативно запоминающего устройства (ОЗУ/RAM).
ПЗУ служит для хранения неизменяемых данных. Из ПЗУ можно только читать. ПЗУ является энергонезависимым устройством, поэтому информация в нем сохраняется даже при выключении электропитания. Важнейшая микросхема ПЗУ модуль BIOS (базовая система ввода-вывода), в который «зашиты» еще при изготовлении: совокупность программ, предназначенных для автоматического тестирования устройств после включения питания компьютера, программа-загрузчик операционной системы, программа Setap, предназначенная для задания и изменения таких параметров компьютера, как время, дата, системный диск и т.д. К ПЗУ относится также полупостоянная память CMOS, в которой хранятся настойки компьютера, сделанные с помощью Setap. CMOS имеет отдельный малогабаритный аккумулятор или батарею питания, поэтому информация о конфигурации остается в памяти, даже если долго не включать компьютер. В последние годы в ПК в качестве ПЗУ стали использовать перепрограммируемое ЗУ – FLASH-память, программы BIOS которой можно заменять («перепрошивать») специальным образом прямо в компьютере на более новые версии.
ОЗУ предназначено для оперативного хранения данных и программ, непосредственно участвующих в информационно-вычислительном процессе, выполняемых ПК в текущий момент времени. Доступ к элементам оперативной памяти прямой – это означает, что каждый байт памяти имеет свой индивидуальный адрес, что обеспечивает ее быстродействие. Это энергозависимая память, поэтому при выключении питания, данные в ней не сохраняются.
Основная память компьютера – это внутренняя память и находится на материнской плате в системном блоке. Здесь следует также сказать еще об одном виде внутренней памяти.
Регистровая КЭШ-память – высокоскоростная память сравнительно большой емкости, является буфером между ОП и МП и позволяет увеличить скорость выполнения операций. Регистры КЭШ-памяти недоступны для пользователя (Cache – тайник). В КЭШ-памяти хранятся данные, которые МП получил, и будет использовать в ближайшие такты своей работы. Различают КЭШ-память 1-го уровня, она встроена в МП (для Pentium Pro ее размер 256 – 512 Кб) и КЭШ-память 2го уровня, она размещается на материнской плате вне МП, ее емкость может достигать нескольких мегабайт.
Еще один вид памяти – видеопамять, которая используется для хранения изображения, выводимого на монитор. Конструктивно она может входить в ОЗУ или содержаться непосредственно в контроллере монитора.
Примечание. Оперативная память может строиться на микросхемах динамического (DRAM) или статического типа (SRAM). Статический тип обладает существенно более высоким быстродействием, но значительно дороже. Для регистровой памяти (МПП и КЭШ-память) используются SRAM, а для основной памяти DRAM-микросхемы.