Информатика и информационные технологии

Аппаратное обеспечение информационных технологий.


    1. Структура и принципы функционирования ЭВМ

Несмотря на то, что современные ЭВМ внешне не имеют ничего общего с первыми моделями, основополагающие идеи, заложенные в них и связанные с понятием алгоритма, разработанным Аланом Тьюрингом, а также архитектурной реализацией, предложенной Джоном фон Нейманом, пока не претерпели коренных изменений. В соответствии с принципами американского математика Джона фон Неймана в состав ЭВМ входят следующие элементы: арифметическо-логическое устройство (АЛУ), устройство управления (УУ), оперативная память (ЗУ), внешние устройства (УВВ, ПУ)(Рисунок 2). Принципы фон Неймана были сформулированы в 1928г., а воплощены в первом (созданном в 1949г.) компьютере, в котором числа и программы хранились в памяти компьютера. Возможность использования двоичных цифр для представления любых чисел принадлежит немецкому математику Лейбницу (1666г).

В

Рисунок 2 - Классическая архитектура ЭВМ

ычислительный процесс должен быть предварительно представлен для ЭВМ в виде программы — последовательности инструкций (команд), записанных в порядке выполнения. В процессе выполнения программы ЭВМ выбирает очередную команду, расшифровывает ее, определяет, какие действия и над какими операндами следует выполнить. Эту функцию осуществляет УУ. Оно же помещает выбранные из ЗУ операнды в АЛУ, где они и обрабатываются. Само АЛУ работает под управлением УУ. Обрабатываемые данные и выполняемая программа должны находиться в ЗУ, куда они вводятся через устройство ввода УВВ. Емкость памяти измеряется в величинах, кратных байту. Память представляет собой сложную структуру, построенную по иерархическому принципу, и включает в себя запоминающие устройства различных типов. Функционально она делится на две части: внутреннюю и внешнюю.

    1. Совершенствование и развитие внутренней структуры ЭВМ

Очевидно, что развитие электронно-вычислительной техни­ки непосредственно связано с основными этапами развития микроэлектроники и во многом определяется ее уровнем и до­стигнутыми результатами. Этапы создания и развития техноло­гии микроэлектроники находят отражение в смене поколений ЭВМ (Таблица 4). В настоящее время наибольшее распространение получили персональные компьютеры (ПК). Львиную долю среди них занимают IBM PC-совместимые микрокомпьютеры (читается Ай-Би-Эм Пи-Си). В конце 1990-х годов IBM PC-совместимые микрокомпьютеры составляли более девяноста процентов мирового компьютерного парка.

IBM PC был создан американской фирмой Ай-Би-Эм (IBM) в августе 1981, при его создании был применен принцип открытой архитектуры, который означает применение в конструкции при сборке компьютера готовых блоков и устройств, а также стандартизацию способов соединения компьютерных устройств. Принцип открытой архитектуры способствовал широкому распространению IBM PC-совместимых микрокомпьютеров-клонов. Их сборкой занялось множество фирм, которые в условиях свободной конкуренции снизили в несколько раз цены, энергично внедряли в производство новейшие технические достижения. Пользователи в свою очередь получили возможность самостоятельно модернизировать свои микрокомпьютеры и оснащать их дополнительными устройствами сотен различных производителей. Единственный из IBM PC-несовместимых микрокомпьютеров, получивший относительно широкое распространение, — компьютер Макинтош (Macintosh). Начиная с 1980-х годов микрокомпьютеры Макинтош американской фирмы Эпл (Apple) составляли достойную конкуренцию IBM PC-совместимым микрокомпьютерам, так как, несмотря на свою дороговизну, они обеспечивали пользователю наглядный графический интерфейс, были значительно проще в эксплуатации и обладали большими возможностями. Начиная с 1990-х годов разница между возможностями Макинтошей и IBM PC все более нивелируется. Последние были оснащены операционными системами с графическим интерфейсом (Windows, OS/2), многочисленными рассчитанными на них прикладными программами. В настоящее время Макинтоши удерживают лидирующие позиции лишь на рынке настольных издательских систем.

Таблица 4 – смена поколений компьютеров

Поколение и годы

Элементная база

Характеристики и типичные представители

I

50-е

Электронные вакуумные лампы

Большие габариты и энерго­пот­реб­ле­ние, низкие быстро­дей­ствие и на­деж­ность, про­г­рам­мирование в кодах. МЭСМ, БЭСМ.

II

60-е

Дискретные полупроводниковые приборы — транзисторы

Большие габариты и энерго­пот­реб­ле­ние, низкие быстро­дей­ствие и на­деж­ность.

Минск 2, 22, 32, БЭСМ-6.

III

70-е

Полупроводниковые интегральные схемы (ИС) с малой и средней сте­пенью интеграции (сотни — тысячи транзисторов в одном корпусе)

Качественное улучшение всех па­ра­мет­ров, удаленный доступ ЕС-1022, ЕС-1035, ЕС-1066

IV

80-е

Микропроцессоры на БИС и СБИС — десятки тысяч — миллио­ны транзисторов в одном кристалле

Появление первых ПК. ДВК, IBM PC 286, 386, 486, Apple

V

90-е

Десятки параллельно работающих микропроцессоров.

Массовое при­менение ПК, ло­каль­ные и глобальные сети, внедрение элек­трон­но­го документооборота Pentium, Atlon

VI

2000-е и перспектива

Оптоэлектронные ЭВМ с нейрон­ной структурой, моделирующие структуру биологических систем

Микропроцессорная революция в технических и био­логи­чес­ких сис­темах, распределенная обработка данных, интеграция со­ци­аль­ной памяти на базе ком­пь­ю­терных сетей, медиа­тех­но­логий и сис­тем связи, безбу­маж­ная информатика, ис­поль­зование систем ис­кус­ст­вен­ного интеллекта, нано­тех­но­логии

    1. Архитектура современного персонального компьютера.

Архитектура – состав устройств, включаемых в ПК, и организация их вза­и­мо­­действия. Основная интерфейсная система компьютера, обеспечивающая сопряжение и связь всех его устройств между собой называется общей шиной. Иначе говоря, общая шина это интерфейс объединения модулей в вычислительную систему. А фактически Общая шина или системная магистраль (ОШ, СМ) – пучок проводов, к которому подключются все блоки ПК. (интерфейс- стандарты свя­­зи и вза­и­мо­­дей­ст­вия устройств между собой).

Минимальная (базовая) конфигурация ПКвключает в себя : 1)системный блок; 2)видео­мо­ни­тор (дисплей); 3)клавиатуру; 4) и как правило, ручной манипулятор (ча­­­ще всего мышь). При расширенной конфигурации к ПК могут подключаться и другие внешние устройства: принтер, модем, сканер, зву­ковые колонки и т.д.

ПК строятся на основе принципа открытой архитектуры: не единая, жест­кая конструкция, а возможность гибкого подключения разных устройств и за­ме­ны этих устройств на новые модификации (upgrade). Например, можно уста­нав­ли­­вать дополнительные блоки оперативной памяти и жесткие диски. В част­нос­ти, можно ис­поль­­­зо­вать блоки разных производителей (с едиными стандартами свя­­зи и вза­и­мо­­дей­ст­вия – интерфейсом).

Основной частью ПК является системный блок (Рисунок 3). В системном блоке размещаются основные элементы: 1)системная (ма­те­­ринская) плата (СП); 2)жесткий диск (винчестер); 3)порты – разъемы для подключения внешних устройств; 4)дисководы; 5)блок питания с вен­ти­ля­то­ром (пре­­образует переменный ток в постоянный).

На системной (материнской) плате устанавливаются: 1)микропроцессор (МП); 2)основная (внутренняя) память (=ОЗУ+ПЗУ+Полупостоянная(CMOS)); 3)тай­­мер (с аккумулятором) ведущий отсчет времени (и при выключенном ПК); 4)ге­нератор тактовых импульсов(ГТИ); 5)контроллер прерываний; 6)пучки про­­­­водов (шины, информационные магистрали), обеспечивающие связь между этими бло­ками.

МП (центральный процессор ПК) – основа ПК – обеспечивает собственно об­­ра­ботку информации (данных, чисел). Состоит из управляющего устройства (что и в каком порядке делать) и арифметико-логического устройства, выпол­ня­ющего сами операции.

1)Все операции выполняются над машинными словами двоичными числами (из 0 и 1) расположенными в специ­аль­ных ячейках процессора – регистрах.

2)Из ОЗУ берется машинная команда. В трехадресной команде (бывают одно и двухадресные):

01

0205

3214

4671

Код операции (сложение)

Адрес 1-го операнда

Адрес 2-го операнда

Адрес результата

3)Операнд – число из ячейки ОЗУ (или, иногда, указанное в самой МК).

4)Операции – элементарные: сложение, умножение и т.п. двоичных чисел. Все возможности ЭВМ сводятся к ним.

5)В результате выполнения команды определяется по какому адресу ОЗУ брать следующую команду (подряд или БуП или УП).

Каждая операция выполняются за несколько шагов (тактов), которые производятся сра­зу над несколькими числами. Шаги должны быть синхронизированны.

Рисунок 3 – Структура системного блока персонального компьютера

Для синхронизации операций используется генератор тактовых импульсов (ГТИ) – специальная ми­­к­­ро­схема на СП, которая выдает строго определенное число импульсов в секунду – так­­товая частота процессора. Любая операция (например, ариф­­метическая) выполняется за 1 или несколько (3–4) тактов. У ГТИ – та же роль, что у маятника в механических ча­сах. Быстродействие МП, кроме тактовой частоты, зависит от разрядности про­­цес­сора – числа бит в регистрах, которые обрабатываются параллельно за 1 шаг (такт). Самые большие затраты времени МП получаются при обмене данными с ОЗУ, поэтому про­­цессор снаб­жают «промежуточной», сверхоперативной – кэш-па­мя­тью( действующим хранилищем копий блоков основной памяти, с которыми про­цессор работает в дан­ный момент). Это позволяет быстро обращаться к содержимому отдельных ячеек. Кэш-память первого уровня (самая маленькая и быстрая) в одном кристалле с МП, второго на отдельном кристалле в одном узле с МП, третьего – быс­тро­дей­ст­вующие микросхемы на СП вблизи МП.

Для ускорения работы к МП подключаются сопроцессоры – вспо­мо­га­тель­ные специализированные процессоры, которые могут выполнять только опе­ра­ции определенного типа, но очень быстро: математический, графический, вво­да-вывода. Например, математический сопроцессор реализует в виде специальных электрон­ных схем вычисление стандартных функций (логарифм, корень), каждую из которых иначе приш­лось бы считать большим количеством элементарных сложений, умножений и т.п.

Быстродействие процесора – число операций в секунду (флопсы) из­ме­ря­ет­ся на стандартных тестовых задачах. Величина условная, зависит от состава тес­­та – у од­них быстрее сложение, у других обмен с ОЗУ и т.п. (аналогия с про­жи­точ­ным ми­нимумом и инфляцией). У современных ПК составляет десятки – сотни Ме­гафлопс (миллионов оп/сек). На суперкомпьютерах достигнуты рекордные значения 50 Терафлопс – 50 триллионов оп/сек, планируется 10 Петафлопс – 10*1000 триллионов оп/сек.

Таким образом, быстродействие МП зависит от его характеристик:

  1. Информатика и информационные технологии (2)

    Документ
    Поколения, живущие в конце XX — начале XXI в., являются свидетелями (и участниками) новой научно-технической революции, вызванной противоречием между ограниченными возможностями человека и огромным объемом существующей и вновь появляющейся
  2. Информатика и информационные технологии.

    Документ
    ИНФОРМАТИКА И ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ для гуманитарного и лингвистического профилей10-11 классах общеобразовательных учрежденийпо учебному плану 1 часа в неделю (34 ч * 2 = 68 часов)
  3. Информатика и информационные технологии в образовании

    Документ
    Информатика – в настоящее время одна из фундаментальных областей научного знания, формирующая системно-информационный подход к анализу окружающего мира, изучающая информационные процессы, методы и средства получения, преобразования,
  4. «Информатика и информационные технологии» (1)

    Реферат
    Человеческое общество по мере своего развития прошло этапы овладения веществом, затем энергией и, наконец, информацией. В первобытно-общинном, рабовладельческом и феодальном обществах (в основе существования которых лежало ремесло)
  5. «Информатика и информационные технологии» (3)

    Документ
    История хранения информации в письменной форме уходит в глубь веков. До наших дней в некоторых местах сохранились наскальные письмена древнего человека, выполненные 25-20 тысяч лет назад; лунный календарь, выгравированный на кости 20 тысяч лет назад.
  6. «Информатика и информационные технологии» (4)

    Реферат
    Для предотвращения несанкционированного доступа к данным, хранящимся на компьютере, используются пароли. Компьютер разрешает доступ к своим ресурсам только тем пользователям, которые зарегистрированы и ввели правильный пароль.
  7. «Информатика и Информационные технологии» (2)

    Документ
    Первая массовая эпидемия компьютерного вируса произошла в 1986 году, когда вирус Brain «заражал» дискеты для первых массовых персональных компьютеров. В настоящее время известно несколько десятков тысяч вирусов, заражающих компьютеры
  8. Представление об информатике и информационных технологиях (1)

    Документ
    РР: Информатика связана с применением компьютеров, разработкой и применением информационных моделей. Это – информационные технологии. Новые информационные технологии: добавляются системы связи (телекоммуникации) — интернет.
  9. Представление об информатике и информационных технологиях (2)

    Документ
    08: Информатика - дисциплина, изучающая структуру и общие свойства научной информации, а также закономерности её создания, преобразования, передачи и использования в различных сферах человеческой деятельности.

Другие похожие документы..