Лекция 1. Устройство компьютера.

Лекция 1. Устройство компьютера.

к.п.н., преподаватель высшей категории Никитин М.Е.Раменское, 2017

2

3

Принципы устройства компьютеров

А. Беркс, Г. Голдстайн и Дж. фон Нейман: «Предварительное рассмотрение логической конструкции электронного вычислительного устройства» (1946)

состав основных компонентов вычислительной машины
принцип двоичного кодирования
принцип адресности памяти
принцип иерархической (многоуровневой) организации памяти
принцип хранимой программы
принцип программного управления

4

Архитектура фон Неймана

обрабатывает данные

обеспечивает выполнение программы

временное хранение данных во время обработки

долговременное хранение данных

5

Принцип двоичного кодирования

проще устройства для хранения и обработки данных

Троичная ЭВМ «Сетунь» (1959)

Заведующий лабораторией троичной информатики. ...
В начале 80-х годов система была перенесена на отечественные мини- и микрокомпьютеры и внедрена на факультетах ВМК и Психологии МГУ, школах № 654 и 710 г. Москвы, ВИА им. Куйбышева, МАИ, Софийском университете (НРБ), УПК ПО ЗИЛ и др. ... Н.П. Брусенцов лауреат премии Совета Министров СССР (1982) и премии «За самоотверженное служение истине» Фонда содействия развитию науки, культуры и образования «Новое тысячелетие» (1995). Заслуженный научный сотрудник МГУ (1997). ... Брусенцов Н.П. Опыт разработки троичной вычислительной машины с логическими элементами типа быстродействующих магнитных усилителей.

6

оперативная память состоит из отдельных битов
группы соседних битов объединяется в ячейки
каждая ячейка имеет свой адрес (номер)
нумерация ячеек начинается с нуля
за один раз можно прочитать или записать только целую ячейку

Принцип адресности.

Структурно основная память состоит из пронумерованных ячеек, причём процессору в произвольный момент доступна любая ячейка. Двоичные коды команд и данных разделяются на единицы информации, называемые словами, и хранятся в ячейках памяти, а для доступа к ним используются номера соответствующих ячеек — адреса.

7

Принцип адресности памяти

размеры ячеек:
у первых ЭВМ – 36, 48, 60 битов
сейчас – 8 битов

8

Память с произвольным доступом

RAM = Random Access Memory
чтение данных из ячеек и запись в них в произвольном порядке
ОЗУ – оперативное запоминающее устройство (оперативная память)
ПЗУ – постоянное запоминающее устройствоROM = Read Only Memory
содержит программное обеспечение для загрузки и тестирования компьютера
запись запрещена

9

Иерархическая организация памяти

Требования к памяти:
большой объём
высокая скорость доступа

Использование несколько уровней памяти:
внутренняя память (небольшой объём, высокое быстродействие)
внешняя память (большой объём, низкое быстродействие)
…

10

Принцип хранимой программы

Фрагмент коммутационной панели IBM-557

Код программы хранится в ПЗУ или во внешней памяти и загружается в ОЗУ для решения задач.

В гарвардской архитектуре есть отдельные области памяти для программ и данных!

11

Принцип программного управления

программа – это набор команд
команды выполняются процессором автоматически в определённом порядке

Счётчик адреса команд – это регистр процессора, в котором хранится адрес следующей команды.

IP (Instruction Pointer) в процессорах Intel

12

Основной алгоритм работы процессора

выбрать команду
записать в счётчик команд адрес следующей команды
выполнить команду
перейти к п. 1

Начальный адрес может заноситься
вручную (в первых ЭВМ)
из ПЗУ, аппаратно (тестирование, потом передача управления загрузчику операционной системы)

13

Что такое архитектура?

Архитектура компьютера – это общие принципы построения конкретного семейства компьютеров (PDP, ЕС ЭВМ, Apple, IBM PC, …).

принципы построения системы команд и их кодирования
форматы данных и особенности их машинного представления
алгоритм выполнения команд программы
способы доступа к памяти и внешним устройствам
возможности изменения конфигурации оборудования

К архитектуре НЕ относятся особенности конкретного компьютера: набор микросхем, тип жёсткого диска, ёмкость памяти, тактовая частота и т.д.

14

настольные (desktop)





переносные (ноутбуки)



нетбуки (нет привода DVD)