Электронный курс лекций по дисциплине "Архитектура компьютера"

Архитектура компьютера
электронный курс лекций

Цели и задачи дисциплины:

Цели освоения дисциплины: формирование основополагающих знаний, умений, навыков по дисциплине «Архитектура компьютера» и компетенций у студентов в области выбранного профиля подготовки «Информатика».
Задачи:
1) теоретический компонент:
получить базовые представления об архитектуре компьютера;
изучить основные системы счисления, используемые в вычислительной технике;
изучить основные команды языка Ассемблер;
знать структурную схему компьютера, назначение и принципы работы основных элементов структурной схемы;

2

2) познавательный компонент:
владеть информацией об основных направлениях развития современной электронно-вычислительной техники;
иметь представление о сфере применения электронно-вычислительной техники в различных областях деятельности человека;

3) практический компонент:
уметь выполнять основные арифметические операции в различных системах счисления;
уметь представлять целые и вещественные числа в формате, в котором они хранятся в электронно-вычислительной технике;
уметь программировать элементарные задачи на языке Ассемблер;
знать способы повышения производительности работы микропроцессора;
знать возможности совмещения различных элементов структурной схемы компьютера.

3

Содержание:

4

Раздел 1: Понятие об архитектуре компьютера

История развития вычислительной техники.

Знание истории развития вычислительной техники как основы компьютерной информатики - необходимый составной элемент компьютерной культуры. Поэтому рассмотрим историю ее становления с точки зрения сегодняшнего дня.

Основные этапы развития ВТ можно привязать к следующей хронологической шкале:

Ручной - до 17 века.
Механический - с середины 17 века.
Электромеханический - с 90 годов 19 века.
Электронный - с 40 годов 20 века.

5

Раздел 1: Понятие об архитектуре компьютера

Ручной период.

Ручной период начался на заре человеческой цивилизации. Фиксация результатов счета у разных народов производилась разными способами: пальцевый счет, нанесение засечек, счетные палочки и т.д. Далее появились приборы, использующие вычисления по разрядам, как бы предполагая наличие некоторой позиционной системы счисления. К таким приборам относятся абак, русские, японские, китайские счеты.
Несомненно, необходимо отметить изобретение Дж. Непером в 17 веке логарифмов, для вычисления которых он предложил использовать устройство, называемое "палочками Непера". Наряду с палочками Непер предложил счетную доску для выполнения четырех арифметических действий, а также возведения в квадрат, извлечения квадратного корня в двоичной системе счисления.

6

Раздел 1: Понятие об архитектуре компьютера

Механический период.

Развитие механики в 17 веке стало предпосылкой вычислительных устройств и приборов, использующих механический принцип вычислений, обеспечивающий перенос старшего разряда. Широкую известность приобрела машина Б. Паскаля, изобретенная в 1642 г. и положившая начало механического этапа развития ВТ.
Первый арифмометр, позволявший проводить все 4 арифметические действия, был изобретен Г. Лейбницем в 1673 г.
Особое место в механическом этапе развития ВТ занимают работы Ч. Беббиджа, считающегося родоначальником и идеологом современной ВТ. В работах Беббиджа два основных направления: проекты разностной и аналитической вычислительных машин. Проект первой предназначался для табулирования полиномиальных функций методом конечных разностей. Второй проект, аналитическая машина, основан на использовании принципа программного управления, явился предвестником современных ЭВМ.

7

Раздел 1: Понятие об архитектуре компьютера

Электромеханический период.

Электромеханический этап развития ВТ явился наименее продолжительным и охватывает всего около 60 лет - от первого табулятора Г. Холлерита (1887) до первой ЭВМ ENIAC (1945). Предпосылками создания проектов этого типа явились как необходимость проведения массовых расчетов (экономика, статистика, управление и планирование и т.д.), так и развитие прикладной электротехники. Классическим типом средств электромеханического этапа был счетно-аналитический комплекс, предназначенный для обработки информации на перфокарточных носителях.
Заключительный период (40-е годы 20в.) электромеханического этапа развития характеризуется созданием целого ряда сложных релейных и релейномеханических систем с программным управлением, характеризующихся алгоритмической универсальностью и способных выполнять сложные научно-технические вычисления в автоматическом режиме.

8

Раздел 1: Понятие об архитектуре компьютера

Электронный период.

 Последним же крупным проектом релейной ВТ следует считать построенную в 1957 году в СССР релейную вычислительную машину РВМ-1. К началу 40-х гг. 20 века электроника уже располагала триггерами, что позволило создавать быстродействующую электронную ВТ.
Первой ЭВМ (специализированной в области дешифровки) можно считать английскую машину Colossus, созданную в 1943 году при участии А. Тьюринга. Машина была узкоспециализированной, поэтому первой ЭВМ принято считать машину ENIAC, созданную в США в конце 1945г Эккертом и Моучли по идее Дж. Атанасова. Первая ЭВМ проработала до сентября 1955 года, выполнив за 10 лет своего существования операций больше, чем все человечество за весь период существования до 1945 года.
Еще до начала эксплуатации первой машины эти же разработчики (Моучли и Эккерт) получили заказ на вторую машину (EDVAC). В этой машине была предусмотрена большая память как для хранения программы так, и для данных.    

9

Раздел 1: Понятие об архитектуре компьютера

Классификация компьютеров.

Существуют различные классификации компьютерной техники:

по этапам развития (по поколениям);
по архитектуре;
по производительности;
по условиям эксплуатации;
по количеству процессоров;
по потребительским свойствам и т.д.

10

Раздел 1: Понятие об архитектуре компьютера

По этапам развития (по поколениям):
 
К первому поколению обычно относят машины, созданные на рубеже 50-х годов. В их схемах использовались электронные лампы. Эти компьютеры были огромными, неудобными и слишком дорогими машинами, которые могли приобрести только крупные корпорации и правительства. Лампы потребляли огромное количество электроэнергии и выделяли много тепла.   

 







Электронная лампа

11

Раздел 1: Понятие об архитектуре компьютера

Второе поколение компьютерной техники — машины, сконструированные примерно в 1955—65 гг. Характеризуются использованием в них как электронных ламп, так и дискретных транзисторных логических элементов. Их оперативная память была построена на магнитных сердечниках. В это время стал расширяться диапазон применяемого оборудования ввода-вывода, появились высокопроизводительные устройства для работы с магнитными лентами, магнитные барабаны и первые магнитные диски.
  

 














Транзистор

12

Раздел 1: Понятие об архитектуре компьютера

Машины третьего поколения созданы примерно после 60-x годов. Поскольку процесс создания компьютерной техники шел непрерывно, и в нём участвовало множество людей из разных стран, имеющих дело с решением различных проблем, трудно и бесполезно пытаться установить, когда "поколение" начиналось и заканчивалось. Возможно, наиболее важным критерием различия машин второго и третьего поколений является критерий, основанный на понятии архитектуры.  

 














Интегральная микросхема

13

Раздел 1: Понятие об архитектуре компьютера

Четвёртое поколение — это теперешнее поколение компьютерной техники, разработанное после 1970 года.

Наиболее важный в концептуальном отношении критерий, по которому эти компьютеры можно отделить от машин третьего поколения, состоит в том, что машины четвёртого поколения проектировались в расчете на эффективное использование современных высокоуровневых языков и упрощение процесса программирования для конечного пользователя.
  

 

14

Раздел 1: Понятие об архитектуре компьютера

По производительности и характеру использования
 
По производительности и характеру использования компьютеры можно условно подразделить на:
микрокомпьютеры, в том числе — персональные компьютеры;
миникомпьютеры;
мэйнфреймы (универсальные компьютеры);
суперкомпьютеры.  

 

15

Раздел 1: Понятие об архитектуре компьютера

Микрокомпьютеры (ПК).

Микрокомпьютеры — это компьютеры, в которых центральный процессор выполнен в виде микропроцессора.
Продвинутые модели микрокомпьютеров имеют несколько микропроцессоров. Производительность компьютера определяется не только характеристиками применяемого микропроцессора, но и ёмкостью оперативной памяти, типами периферийных устройств, качеством конструктивных решений и др.
 
Миникомпьютеры.

Миникомпьютерами и суперминикомпьютерами называются машины, конструктивно выполненные в одной стойке, т.е. занимающие объём порядка половины кубометра. Сейчас компьютеры этого класса вымирают, уступая место микрокомпьютерам.
 
 

 

16

Раздел 1: Понятие об архитектуре компьютера

Мэйнфреймы .

Мэйнфреймы предназначены для решения широкого класса научно-технических задач и являются сложными и дорогими машинами. Их целесообразно применять в больших системах при наличии не менее 200 — 300 рабочих мест.
 
Суперкомпьютеры.

Суперкомпьютеры —это очень мощные компьютеры с производительностью свыше 100 мегафлопов (1 мегафлоп — миллион операций с плавающей точкой в секунду). Они называются сверхбыстродействующими. Эти машины представляют собой многопроцессорные и (или) многомашинные комплексы, работающие на общую память и общее поле внешних устройств. Различают суперкомпьютеры среднего класса, класса выше среднего и переднего края.
 
 

 

17

Раздел 1: Понятие об архитектуре компьютера

По условиям эксплуатации.
 
По условиям эксплуатации компьютеры делятся на два типа:
офисные (универсальные);
специальные.

Офисные предназначены для решения широкого класса задач при нормальных условиях эксплуатации.
Cпециальные компьютеры служат для решения более узкого класса задач или даже одной задачи, требующей многократного решения, и функционируют в особых условиях эксплуатации. Машинные ресурсы специальных компьютеров часто ограничены. Однако их узкая ориентация позволяет реализовать заданный класс задач наиболее эффективно.
 
 
 
 
 

 

18

Информационно-логические основы построения ЭВМ.

ЭВМ любого класса состоит из пяти основных компонент:
арифметическо-логического устройства (АЛУ), устройства управления (УУ), оперативного запоминающего устройства (ОЗУ), устройства вывода информации (УвывИ), устройства ввода информации (УВвИ). АЛУ и УУ в современном персональном компьютере нечто иное как процессор, УВывИ – монитор, принтер; УВвИ – клавиатура, мышка.

Раздел 1: Понятие об архитектуре компьютера

19

Информация, подлежащая обработке в АЛУ, ОЗУ машины, должна быть представлена в виде специальных (машинных) кодов в принятой для данной ЭВМ двоичной системе счисления, т.е. в виде последовательностей нулей и единиц.

Информация, циркулирующая в ЭВМ, подразделяется на следующие виды:
-         Данные (информация подлежащая обработке);
-         Команды (информация указывающая вид обработки);
-         Адреса (информация о местонахождении данных и команд).

Наименьшей единицей информации является бит (двоичный разряд).
Элементы, из которых состоит дискретное сообщение, передаваемое в ЭВМ или выводимое на экран дисплея, устройство печати, называют символами. Как символы могут выступать графические знаки, изображающие цифру, букву, служебные, математические и другие обозначения.
В качестве машинной единицы информации для представления символа используется группа двоичных разрядов, которая именуется байтом. Байт состоит из 8 бит.
В зависимости от типа ЭВМ дискретное сообщение, передаваемое между элементами и блоками ЭВМ, состоит из одного байта (8 двоичных разрядов), двух байт (16 разря­дов), четырех байт (32 разряда), соответственно ЭВМ и подразделяют на 8-, 16 -, 32- и т.д. разрядные. Такое дискретное сообщение принято называть машинным словом.

Раздел 1: Понятие об архитектуре компьютера

20

Единицы информации, используемые в ЭВМ
Бит - один двоичный разряд
Байт - восемь двоичных разрядов
Слово - 16 двоичных разрядов

Как правило, данные запоминаются и извлекаются из памяти ЭВМ целыми словами. Операции запоминания и извлечения из памяти принято называть соответственно записью и считыванием. ЭВМ обычно оперирует с информацией двух типов — с данными и командами. В том случае, когда слово заключает в себе инструкцию по обработке других данных, его принято называть командой. Совокупность нескольких машинных слов, объединенных единым смыслом, называется записью. Группа записей, последовательно расположенных на носителе внешнего запоминающего устройства, записываемая из ОЗУ или считываемая в нее, называется блоком. Блок содержит 512 байт. Несколько блоков, содержащих записи, объединенные каким-либо признаком в информационный массив, называются файлом.                    

Раздел 1: Понятие об архитектуре компьютера

21

Дискретные сообщения, которые транспортируют информацию между отдельными функциональными устройствами ЭВМ, сформированы в определенные коды, т. е. каждому символу соответствует определенный набор нулей и единичек. Используют в основном коды КОИ-8 которые имеются государственные стандарты.
За один такт работы ЭВМ выполняются действия с одним машинным словом. Таким образом, при передаче более одного байта данных. 16-разрядный процессор работает вдвое быстрее 8-разрядного, так как в машинное слово 16-разрядного процессора входят 4 десятичных числа, а не 2.
Точность представления числа зависит от количества отводимых под число разрядов: 8 разрядов — точность составляет два десятичных знака, 32 разряда — точность 10 десятичных знаков.
Самым большим преимуществом увеличения разрядности ЭВМ является использование оперативной памяти увеличенного объема, 8-разрядный процессор позволяет обращаться к ОЗУ объемом до 64 кб, 16-разрядный процес­сор может работать с ОЗУ до 1024 кб, 32-разрядный до 4 Гб.
Всеми процессами в компьютере управляет комплекс программ, именуемый операционной системой.

Раздел 1: Понятие об архитектуре компьютера

22

Раздел 1: Понятие об архитектуре компьютера

Структура системного блока персонального компьютера класса IBM PC

23