Цель: познакомить учащихся с основными этапами развития ЭВМ, с прÐ

1. Цель: познакомить учащихся с основными этапами развития ЭВМ, с принципом фон Неймана, с общими принципами архитектуры ЭВМ.

2. История развития ЭВМ. Принцип фон Неймана Назначение и общие принципы архитектуры ЭВМ. Аппаратное и программное обеспечение ЭВМ. Основные компоненты персонального компьютера. Устройства системного блока.

3. Краткая история развития ЭВМ. • История использования механических и полуавтоматических средств для арифметических операций насчитывает не одно тысячелетие. Первые вычислительные устройства были созданы еще в Древней Греции. В 1642 г. французский математик Блез Паскаль (1623 – 1662) создал механический арифмометр, позволявший выполнять четыре арифметических действия. Немецкий философ и математик Готфрид Вильгельм фон Лейбниц (1646 – 1716) изобрел механическую счетную машину, выполняющую сложение и умножение. Англичанин Чарльз Бэббидж (1792–1871) разработал концепцию вычислительной машины с гибкой схемой программирования и запоминающим устройством. Программы вводились с помощью перфокарт – карточек из плотного материала, на которых информация представлялась в виде комбинации отверстий и хранилась в «складе» (памяти) в виде исходных данных и промежуточных результатов. • Наиболее стремительным и последовательным развитием и внедрением вычислительных устройств ознаменовалась первая половина XX в. Возможность создания универсальной вычислительной машины обосновал английский математик Алан Матисон Тьюринг (1912– 1954). • В 1943 г. американец ГовардЭйкен на основе уже созданных к этому времени электромеханических реле сконструировал и изготовил на одном из предприятий фирмы IBM вычислительную машину, названную «Марк-1».

4. Применение электронных ламп при создании первых вычислительных машин способствовало прогрессу в этой области. В 1946 г. в США группой специалистов под руководством Джона Мочли и ПреспераЭкерта была создана первая вычислительная машина на основе электронных ламп, названная ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer – электронный числовой интегратор и вычислитель) и предназначенная для баллистических расчетов. Для выполнения других вычислений требовалось практически заново перестраивать машину. • В 1949 г. был создан компьютер, в котором нашли воплощение принципы построения логической схемы вычислительной машины выдающегося математика Джона фон Неймана (1903–1957). Эта машина использовала гибкую запоминаемую программу, которую можно было изменять, не перестраивая всей машины. • Изобретение в 1948 г. транзисторов, заменивших в компьютерах электронные лампы, развитие технологии их массового производства способствовали во второй половине 1950-х гг. существенному усовершенствованию, уменьшению размеров компьютеров и снижению их стоимости. Если компьютеры на электронных лампах занимали целые залы, то первый мини-компьютер, выпущенный фирмой Digital Equipment в 1965 г., был размером всего лишь с холодильник.

5. Следующий шаг по пути миниатюризации и совершенствования компьютеров был связан с изобретением интегральных схем. В 1959 г. Роберт Нойс, впоследствии основатель фирмы Intel, предложил создавать на одной пластине как сами транзисторы, так и все соединения между ними, так называемые интегральные схемы, или чипы. Первый компьютер на интегральных схемах выпустила в 1968 г. фирма Burroughs. В 1970 г. конструкторы фирмы Intel создали интегральную схему, аналогичную по своим функциям центральному процессору большой ЭВМ. Первый микропроцессор был способен одновременно обрабатывать только 4 бита информации. Но уже в 1973 г. был выпушен 8-битовый микропроцессор Intel-8008, а в 1974 г. – усовершенствованный вариант Intel-8080, который до конца 1970-х гг. стал стандартом для индустрии микрокомпьютеров. На базе Intel-8080 в 1975 г. был создан первый коммерчески распространяемый компьютер «Альтаир 8800», еще не укомплектованный клавиатурой и монитором, с оперативной памятью 256 байт. Персональный компьютер «Альтаир» завоевал популярность благодаря тому, что Пол Аллен и Билл Гейтс (будущие основатели фирмы Microsoft) создали для него интерпретатор языка Basic, что позволило пользователям достаточно просто общаться с компьютером. Компьютеры стали продаваться уже в полной комплектации, с клавиатурой и монитором. Спрос на них год от года увеличивался. • В 1979 г. фирма IBM (International Business Machine Corporation) вышла на рынок персональных компьютеров. При этом было решено не создавать принципиально новый персональный компьютер, а использовать блоки, изготовленные другими фирмами. В качестве основного микропроцессора компьютера был выбран новейший тогда 16-разрядный микропроцессор Intel-8088 с емкостью памяти 1 Мб, использовались комплектующие различных фирм, а программное обеспечение было поручено разработать небольшой тогда фирме Microsoft. В августе 1981 г. состоялась официальная презентация нового компьютера под названием IBM PC, который быстро занял ведущее место на рынке, став стандартом персонального компьютера. Сейчас компьютеры, совместимые с IBM PC, составляют более 90 % всех производимых в мире персональных компьютеров

6. 2. Назначение и общие принципы архитектуры вычислительных систем и ЭВМ. Применительно к вычислительным системам термин “архитектура” может быть определен как распределение функций, реализуемых системой. Т.е., архитектура вычислительной системы предполагает многоуровневую организацию. Архитектуру вычислительной системы можно определить путем выявления её отличной от других видов архитектуры. Так, специфическим свойством архитектуры вычислительной системы является возможность выделения в ней набора уровней абстракции. Архитектура первого уровня, называемая архитектурой системы и символически помеченная цифрой 1, определяет, какие функции по обработке данных выполняется системой в целом, а какие возлагаются на “внешний мир” (пользователей операторов ЭВМ, администраторов баз данных и т.п.). Система взаимодействует с внешним миром через два набора интерфейсов: языки (языки программирования, языки описания и манипулирования базой данных, язык оператора ЭВМ) и системные программы (прикладные программы, например программы-утилиты, программы редактирования, сортировки, восстановления и обновления информации).

7. Интерфейсы 2, 3 и 4 разграничивают определённые уровни внутри программного обеспечения. Если программы, реализующие прикладные задачи, написаны на языках программирования, не входящих в число тех, которые представлены в распоряжение пользователя, то можно говорить об архитектуре уровня, назначение которого, определение указанных языков. Трансляторы таких языков в свою очередь взаимодействуют с более низкими уровнями программного обеспечения, обозначенными на абстрактной модели архитектуры как 3 и 4. Уровень управления логическими ресурсами может включать реализацию таких функций, как управление базой данных, файлами, виртуальной памятью, сетевой телеобработкой. К уровню управления физическими ресурсами относятся функции управления внешней и оперативной памятью, внутренними процессами, протекающими в системе, а также другими аппаратными средствами. • Из-за отсутствия лучшего термина о всех трех уровнях 2-4 будем говорить как об архитектуре программного обеспечения.

8. Уровень 5 отражает основную линию разграничения системы, а именно границу между системным программным и аппаратным обеспечением(термин “аппаратное обеспечение” используется для обозначения как микропрограмм, так и электронных логических схем). Микропрограмма – это записанная в памяти программа, которая физически управляет передачей всех символов и данных в физических компонентах системы, таких, как шины, регистры, сумматоры или процессор. • Уровень 7 определяет, какие функции реализует центральные процессоры (ЦП), выполняющие программы, а какие процессоры ввода – вывода (т.е. каналы). • Архитектура другого уровня определяет разграничение функций между процессорами ввода – вывода и контроллерами (устройствами управления) внешних устройств. В свою очередь можно разграничить функции, реализуемые контроллерами и самими устройствами ввода – вывода (терминалами, модемами, накопителями на магнитных дисках и магнитных лентах). Архитектура уровней 7, 9 и 10 может быть названа архитектурой физического ввода - вывода. • Осталась нерассмотренной архитектура уровней 8 (интерфейс между процессором и основной памятью) и 6. Функции каждого процессора и контроллера внешнего устройства могут быть распределены между микропрограммами и комбинационными и последовательными логическими схемами. Следовательно интерфейс 6 представляет собой интерфейс микропрограммы т.е. обеспечивает согласование потока данных и управляющих сигналов с форматом микрокоманд внутри каждого процессора. Архитектуру уровней 6 и 8 также часто называют архитектурой процессора или организацией процессора. • Последняя разновидность архитектуры, в явном виде не показанная на Рис1, может быть определена как мультипроцессорная архитектура. Такая архитектура предусматривает распределение функций между группой процессоров.

9. Архитектура ЭВМ – это абстрактное представление или определение физической системы (микропрограммы и комплекса аппаратных средств т.е. структуры ЭВМ) с точки зрения программиста, разрабатывающего программы на машинно-ориентированном языке, или разработчика компилятора. Она определяет принципы организации вычислительной системы и функции процессора и не отражает такие проблемы, как управление и передача данных внутри процессора конструктивные особенности логических схем и специфику технологии их производства. • Таким образом, архитектор ЭВМ должен принять решение по трём обширным группам проблем: определить форму представления программы для машины и правила её интерпретации этой машиной; установить способы адресации данных в этих программах; задать форму представления данных. При решении каждой из перечисленных групп проблем разработчик архитектуры ЭВМ сталкивается с такими задачами, как определение минимально адресуемой области памяти, типов и форматов данных, кодов операций и форматов машинных команд, способов адресации и защиты памяти, механизма управления последовательностью выполнения команд, интерфейса машины с устройствами ввода-вывода

10. 3. Принципы Фон Неймана. • В основу построения подавляющего большинства компьютеров положены следующие общие принципы, сформулированные в 1945 г. американским ученым Джоном фон Нейманом. • 1. Принцип программного управления.Из него следует, что программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором автоматически друг за другом в определенной последовательности. • Команда – это описание операции, которую должен выполнить компьютер. Как правило, у команды есть свой код (условное обозначение), исходные данные(операнды) и результат. Результат команды вырабатывается по точно определенным для данной команды правилам, заложенным в конструкцию компьютера. • Выборка программы из памяти осуществляется с помощью счётчика команд. Так как команды и 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 переходов которые заносятся в счётчик 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.

11. 2. Принципы однородности памяти.Программы и данные хранятся в одной и той же памяти. Поэтому компьютер не различает, что хранится в данной ячейке памяти – число, текст или команда. Над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными. • Это открывает целый ряд возможностей.Например, программа в процессе своего выполнения так же может подвергаться переработке, что поваляет задавать в самой программе правила получения некоторых её частей (так как в программе организуется выполнения циклов и прогарам). Более того, команды одной программы могут быть получены как результаты исполнения другой программы. • 3. Принцип адресности. Структурно основная память состоит из перенумерованных ячеек; процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка. • Отсюда следует возможность давать имена областям памяти, так, чтобы запомненным в них значениям можно было впоследствии обращаться или менять их в процессе выполнения программ с использованием присвоенных имён.

14. 4. Обращенная структураЭВМ • Основываясь на принципах фон Неймана можно определить структуру и состав ЭВМ. Рассмотрим главные устройства ЭВМ: • память (запоминающие устройства, ЗУ), состоящую из перенумерованных ячеек; • процессор, включающий в себя устройство управления (уу) и арифметика – логические устройства (АЛУ); • устройства ввода вывода; • устройства вывода; • Эти устройства соединены каналами связи, по которым передаётся информация. Т.е. структура ЭВМ представима схема:

15. Функции памяти: • 1. приём информации из других устройств; • 2. запоминание информации; • 3. выдача информации по запросу в другие устройства машины. • Функции процессора: • 1. Обработка данных по заданной программе путём выполнения арифметических и логических операций; • 2. Программное управление работой устройств компьютера. • Та часть процессора, которая выполняет команды, называется арифметико-логическим устройством (АЛУ), а другая его часть, выполняющая функции управления устройствами, называется устройством управления (УУ). • В составе процессора имеется ряд специализированных ячеек памяти, называемых регистрами. • Регистр выполняет функцию кратковременного хранения числа или команды. Над содержимым некоторых регистров специальные электронные схемы могут выполнять некоторую манипуляции.

16. Существует несколько типов регистров, отличающихся видом выполняемых операций. Некоторые важные регистры имеют свои названия: • сумматор – регистр АЛУ, участвующий в выполнении каждой операции; • счетчик команд – регистр УУ, содержимое которого соответствует адресу очередной выполняемой команды; служит для автоматической выборки программы из последовательных ячеек памяти; • регистр команд – регистр УУ для хранения кода команды на период времени, необходимый для ёё выполнения. Часть его разрядов используется для хранения кода операции, остальные – для хранения кодов адресов операции.

17. 5. Команды • Вернёмся к понятию команды, и рассмотрим ёё сущность. И так команда – это описание элементарной операции, которую должен выполнить компьютер. • код выполняемой операции; • указания по определению операндов (или их адресов); • указания по размещению получаемого результата. • В зависимости от количества операндов, команды бывают: • одноадресные; • двухадресные; • трёхадресные; • переменно-адресные. • Команды хранятся в ячейках памяти в двоичном коде. • В современных компьютерах длинна команды переменная (обычно от двух до четырёх байтов), а способы указания адресов переменных весьма разнообразные. • В адресной части команды может быть указан: • сам операнд (число или символ); • адрес операнда (номер бита, начиная с которого расположен операнд); • адрес адреса операнда (номер бита, начиная с которого расположен адрес операнда), и тд.

18. Рассмотрим несколько возможных вариантов команды сложения (англ. аdd – сложение), при этом вместо цифровых кодов и адресов будем пользоваться условными обозначениями: • Одноадресная команда addx (содержимое ячейки x сложить с содержимым сумматора, а результат оставить в сумматоре) • add • x • Двух адресная команда addx, y (сложить содержимое ячейки x иy, а результат поместить в ячейку y ) • add • x • y • Трех адресная команда add x, y, z (содержимое ячейки x сложить с содержимым ячейки y, сумму поместить в ячейку z ) • add • x • y • z • Выполнение команды можно проследить по схеме общей схеме ЭВМ.

19. Как правило, этот процесс разбивается на следующие этапы: • из ячейки памяти, адрес которой хранится в счетчике команд, выбирается очередная команда; содержимое счетчика команды при этом увеличивается на длину команды; • выбранная команда передается в устройство управления на регистр команд; • устройство управления расшифровывает адресное поле команды; • по сигналам УУ операнды считываются из памяти и записываются в АЛУ на специальные регистры операндов; • УУ расшифровывает код операции и выдает в АЛУ сигнал выполнить соответствующею операцию над данными; • результат операции либо остается в процессоре, либо отправляется в память, если в команде был указан адрес результата; • все предыдущие этапы повторяются до достижения команды “cmon”.