Лекция "Основы вычислительной техники."
Оценка 5

Лекция "Основы вычислительной техники."

Оценка 5
Лекции
doc
информатика +1
7 кл—9 кл
24.02.2017
Лекция "Основы вычислительной техники."
Изыскание средств и методов механизации и автоматизации работ — одна из основных задач технических дисциплин. Автоматизация работ с данными имеет свои особенности и отличия от автоматизации других типов работ. Для этого класса задач используют особые виды устройств, большинство из которых являются электронными приборами. Совокупность устройств, предназначенных для автоматической обработки данных, называют вычислительной техникой. Конкретный набор взаимодействующих между собой устройств и программ, предназначенный для выполнения одной цели, называют вычислительной системой. Центральным устройством большинства вычислительных сис¬тем является компьютер.
lect_2_Osnovy_vych_tech_1.doc
Лекция 2. Раздел 2. Основы вычислительной техники. Содержание Тема 1. Краткая история развития вычислительной техники....................................2 1.1 Вычислительная система, компьютер......................................................................2 1.2. Механические первоисточники...............................................................................2 1.3. Математические первоисточники...........................................................................3 1.3.1 Двоичная система Лейбница.........................................................................3 1.3.2 Математическая логика Джорджа Буля......................................................4 1.4. Кодирование информации системы счисления......................................................5 1.4.1. Понятие о двоичном коде.............................................................................5 1.4.2. Кодирование целых и действительных чисел.............................................6 1.5. Принцип действия компьютера...............................................................................6 Тема 2 Вычислительная техника..................................................................................7 2.1. Основные сведения об устройстве ЭВМ.................................................................7 2.2. Качественные характеристики ЭВМ.......................................................................9 2.4. Классификация ЭВМ..............................................................................................10 Тема 1. Краткая история развития вычислительной техники 1.1 Вычислительная система, компьютер Изыскание средств и методов механизации и автоматизации работ — одна из основных задач технических дисциплин. Автоматизация работ с данными имеет свои особенности и отличия от автоматизации других типов работ. Для этого класса   задач   используют   особые   виды   устройств,   большинство   из   которых являются электронными приборами. Совокупность устройств, предназначенных для автоматической обработки данных, называют вычислительной техникой. Конкретный  набор  взаимодействующих   между   собой  устройств   и   программ, предназначенный   для   выполнения   одной   цели,   называют   вычислительной системой.  Центральным   устройством   большинства   вычислительных   систем является компьютер. Компьютер  —  это электронной прибор, предназначенный для автоматизации создания, хранения, обработки и транспортировки данных. 1.2. Механические первоисточники Первое в мире автоматическое устройство для выполнения операции сложения было создано на базе механических часов. В 1623 году его разработал Вильгельм Шикард,   профессор   кафедры   восточных   языков   в   университете   Тюбингена (Германия).   В   наши   дни   рабочая   модель   устройства   была   воспроизведена   по чертежам и подтвердила свою работоспособность. Сам изобретатель в письмах называл машину «суммирующими часами». Идея   гибкого   программирования   механических   устройств   с   помощью перфорированной   бумажной   ленты   впервые   была   реализована   в   1804   году   в ткацком   станке   Жаккарда,   после   чего   оставался   только   один   шаг   до программного управления вычислительными операциями. Английский   математик   и   изобретатель   Чарльз   Бэббидж   (1792­1871)   в   его Аналитической машине.  Особенностью   Аналитической   машины   стало   то,   что   здесь   впервые   был реализован  принцип   разделения   информации   на   команды   и   данные. Аналитическая машина содержала два крупных узла — «склад» и «мельницу».  Идея Чарльза Бэббиджа о раздельном рассмотрении команд и данных оказалась необычайно плодотворной. В XX в. она была развита в принципах Джона фон Неймана (1941 г.), и  сегодня  в вычислительной   технике  принцип  раздельного рассмотрения   программ   и   данных   имеет   очень   важное   значение.   Он учитывается   и   при   разработке   архитектур   современных   компьютеров,   и   при разработке компьютерных программ. 1.3. Математические первоисточники Если мы задумаемся над тем, с какими объектами работали первые механические предшественники современного электронного компьютера, то должны признать, что числа представлялись либо в виде линейных перемещений цепных и реечных механизмов, либо в виде угловых перемещений зубчатых и рычажных механизмов. И в том и в другом случае это были перемещения, что не могло не сказываться на габаритах устройств и на скорости их работы. Только переход от регистрации перемещений к регистрации сигналов позволил значительно снизить габариты и   повысить   быстродействие.   Однако   на   пути   к   этому   достижению потребовалось ввести еще несколько важных принципов и понятий. 1.3.1 Двоичная система Лейбница.  В механических устройствах зубчатые колеса имеют много различимых между собой положений. Количество таких положений, по крайней мере, равно числу зубьев шестерни. В электрических и электронных устройствах речь идет не о регистрации положений элементов конструкции, а о регистрации состояний элементов устройства.  Таких устойчивых и различимых состояний всего два: включен — выключен; открыт — закрыт; заряжен — разряжен и т. п. Поэтому традиционная   десятичная   система, калькуляторах, неудобна для электронных вычислительных устройств.   использованная   в   механических Возможность представления любых чисел (да и не только чисел) двоичными цифрами впервые была предложена Готфридом Вильгельмом Лейбницем  в 1666 году Он пришел к двоичной системе счисления, занимаясь исследованиями философской концепции единства и борьбы противоположностей. Попытка пред­ ставить мироздание в виде непрерывного взаимодействия двух начал («черного» и «белого», мужского и женского, добра и зла) и применить к его изучению методы «чистой»   математики   подтолкнули   Лейбница   к   изучению   свойств   двоичного представления данных с помощью нулей и единиц. Надо сказать, что Лейбницу уже  тогда   приходила  в  голову   мысль  о  возможности  использования   двоичной системы   в   вычислительном   устройстве,   но,   поскольку   для   механических устройств в этом не было никакой необходимости, он не стал использовать в своем калькуляторе (1673 году) принципы двоичной системы. 1.3.2 Математическая логика Джорджа Буля.  Говоря   о   творчестве   Джорджа   Буля,   исследователи   истории   вычислительной техники   непременно   подчеркивают,   что   этот   выдающийся   английский   ученый первой   половины   XIX   века   был   самоучкой.   Возможно,   именно   благодаря отсутствию «классического» образования Джордж Буль внес в логику как в науку революционные изменения. Занимаясь   исследованием   законов   мышления,   он   применил  в   логике   систему формальных обозначений и правил, близкую к математической. Впоследствии эту  систему назвали логической алгеброй или булевой алгеброй. Результатом формального расчета логического выражения является одно из двух логических значений: истина или ложь. Значение логической алгебры долгое время игнорировалось, поскольку ее приемы и методы не содержали практической пользы для науки и техники того времени. Однако,   когда   появилась   принципиальная   возможность   создания   средств вычислительной   техники   на   электронной   базе,   операции,   введенные   Булем, оказались весьма полезны. Они изначально ориентированы на работу только  с двумя сущностями: истина и ложь. Нетрудно понять, как они пригодились для работы   с   двоичным   кодом,   который   в   современных   компьютерах   тоже представляется всего двумя сигналами: ноль и единица. Не вся система Джорджа Буля (как и не все предложенные им логические опера­ ции) были использованы при создании электронных вычислительных машин, но четыре основные операции: И (пересечение), ИЛИ (объединение), НЕ (обращение) 1.4. Кодирование информации системы счисления 1.4.1. Понятие о двоичном коде Для автоматизации работы с данными, относящимися к различным типам, очень важно унифицировать их форму представления — для этого обычно используется прием кодирования, то есть выражение данных одного типа через данные другого типа. Естественные человеческие языки — это не что иное, как системы кодирования понятий для выражения мыслей посредством речи. Своя система существует и в вычислительной технике — она называется двоичным кодированием и основана на представлении данных последовательностью всего двух знаков: 0 и 1. суммы степеней базового числа. Система счисления – метод представления чисел в виде 1.4.2. Кодирование целых и действительных чисел Целые числа кодируются двоичным кодом достаточно просто — достаточно взять целое число и делить его пополам до тех пор, пока частное не будет равно единице. Совокупность остатков от каждого деления, записанная справа налево вместе с последним частным, и образует двоичный аналог десятичного числа. 125=10**2*1+10**1*2+10**0*5 125=2**6*1+2**5*1+2**4*1+2**3+2**2*1+2**0*1=1111101 125=16**1*7+16**0=7D Для кодирования действительных чисел используют 80-разрядное кодирование. При этом число предварительно преобразуется в нормализованную форму: 3,1415926 = 0,31415926 • 101 300 000 = 0,3 • 106 123 456 789 = 0,123456789 • 1010 Первая часть числа называется мантиссой, а вторая — характеристикой. Большую часть из 80 бит отводят для хранения мантиссы (вместе со знаком) и некоторое фиксированное количество разрядов отводят для хранения характеристики (тоже со знаком). 1.5. Принцип действия компьютера В определении компьютера как прибора мы указали определяющий признак — электронный.   Однако   автоматические   вычисления   не   всегда   производились электронными  устройствами. Известны  и  механические  устройства,  способные выполнять расчеты автоматически. В то же время, нам хорошо знаком другой прибор, способный автоматически выполнять вычисления, — это часы.  В основе любого современного компьютера, как и в электронных часах, лежит тактовый   генератор,   вырабатывающий   через   равные   интервалы   времени электрические сигналы, которые используются для приведения в действие всех устройств компьютерной системы.  Управление   компьютером   фактически сводится к управлению распределением сигналов между устройствами. Такое управление может производиться автоматически (в этом случае говорят о программном управлении В   современных   компьютерах  внешнее   управление  в   значительной   степени автоматизировано такое управление называют интерактивным. Тема 2 Вычислительная техника 2.1. Основные сведения об устройстве ЭВМ Электронной вычислительной машиной (ЭВМ) называется устройство, выполняющее следующие операции: • ввод информации; • обработку информации по заложенной в ЭВМ программе; • вывод результатов обработки в форме, пригодной для восприятия человеком. За каждое из названных действий отвечает специальный блок ЭВМ, соответственно: устройство ввода, центральный процессор (ЦП), устройство вывода. Все они достаточно сложны и, в свою очередь, состоят из отдельных более мелких устройств. В частности в центральный процессор могут входить: арифметическо-логическое устройство, управляющее устройство, оперативное запоминающее устройство. Таким образом, укрупненная структурная схема ЭВМ приобретает вид, показанный на рис. 1. Оперативное  запоминающее  устройство Управляющее  устройство Данные Команды  программы Управляющие  сигналы Устройство  ввода Арифметико логическое  устройство Устройство  вывода Отметим, что устройство ввода представлено, как правило, не одной конструктивной единицей. Виды вводимой информации разнообразны, источников тоже может быть несколько, так что слова «устройство ввода» следует понимать в собирательном смысле. То же относится к устройству вывода. Арифметическо - логическое устройство (АЛУ) – это именно то место, где выполняются преобразования данных, предписанные командами программы: арифметические действия над числами, преобразования кодов, сравнения кодов, сравнение слов и пр. Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), ил просто память, предназначена для размещения программ, а также для временного хранения каких-то частей входных и промежуточных результатов. Ему свойственны: способность записывать (или считывать) элементы программ и данных в произвольное место памяти (или из произвольного места памяти), высокое быстродействие. Слово произвольное означает не “какой попало”, а возможность обратиться к заданному адресу без необходимости просмотра всех предшествующих. Заметим, что запоминающие устройства бывают трех видов: • двунаправленные (допускающие и считывание, и запись данных); • полупостоянные, предназначенные для хранения редко обновляемой информации (например, сведения о конфигурации ЭВМ); • постоянные, допускающие только считывание информации. Управляющее устройства (УУ) осуществляет координацию работы всех агрегатов. В определенной последовательности оно извлекает из оперативного запоминающего устройства (ОЗУ) команду за командой. Каждая команда декодируется; если требуется, из указанных в ней ячеек ОЗУ передаются в АЛУ (или, наоборот) элементы данных; АЛУ настраиваются на выполнение действия, предписанного командой (в этом действии, может быть, участвуют и устройства ввода-вывода); дается команда на выполнение этого действия. Этот процесс будет продолжаться до тех пор, пока не сложится одна из следующих ситуаций: • Исчерпаны входные данные; • С одного из входных устройств поступила команда на прекращение работы; • Выключено питание ЭВМ. 2.2. Качественные характеристики ЭВМ Качество ЭВМ характеризуется многими показателями. Это и набор инструкций (команд), которые ЭВМ способна понимать и выполнять, и скорость работы (быстродействие) центрального процессора, и количество устройств ввода-вывода («периферийных устройств»), которые можно присоединить к ней одновременно, и потребление электроэнергии, и многое другое. Но главной, как правило, характеристикой является быстродействие, то есть количество операций, которое центральный процессор способен выполнить в единицу времени. Понятно общее (и создателей ЭВМ, и пользователей) стремление к повышению производительности ЭВМ. Одно из направлений удовлетворения этого стремления - Скорость работы ЭВМ существенно зависит от скорости работы принципиальное и конструктивное совершенствование элементной базы другое совершенствования схемных решений, или, как говорят, совершенствования архитектуры ЭВМ. Так появились многопроцессорные ЭВМ, в которых несколько процессоров работают по-настоящему одновременно, и, значит, производительность машины равна сумме производительностей процессоров. В этом случае говорят о многопроцессорной архитектуре. В особо мощных ЭВМ (такие машины могут, например, моделировать ядерные реакции со скоростью естественного процесса) число процессоров достигает нескольких десятков. ОЗУ, построения многоуровневой памяти. ОЗУ складывается из двух – трех частей: основная часть большой емкости, строится на относительно медленных (но зато более дешевых) элементах, а дополнительная часть (ее называют кэш-памятью) состоит из быстродействующих элементов. Те данные, к которым АЛУ обращаются наиболее часто, содержатся в кэш – памяти; больший же объем оперативной информации хранится в основной памяти. Распределением информации между основными частями ОЗУ управляет специальный блок центрального процессора. Объем ОЗУ и кэш – памяти принадлежит к числу важнейших характеристик ЭВМ. необходимо управлять. Раннее эти обязанности возлагались на ЦП, и они отнимали у него немало времени. Архитектура современных ЭВМ предусматривает передачу значительной части функций управления периферийными устройствами специализированным процессорам, обеспечивая тем самым разгрузку ЦП и повышение его производительности. Итак, ясно, что реальная структура ЭВМ значительно сложнее, чем изображенная на рис. 1, за счет включения в нее дополнений, направленных, в конечном счете, на повышение производительности и приближение функциональных возможностей ЭВМ к потребностям пользователей. Однако в целом структура ЭВМ сохраняется. Как сказано выше, работой устройств ввода–вывода тоже 2.4. Классификация ЭВМ Процес­ соры гарантия сохранения данных Супер ЭВМ Большие ЭВМ, кластеры Серверы баз данных Серверы Персональные ЭВМ Сигнальные  Карманные   приложений, 100 10 10­2 4­1 1 1 + + + ­ ­ ­

Лекция "Основы вычислительной техники."

Лекция "Основы вычислительной техники."

Лекция "Основы вычислительной техники."

Лекция "Основы вычислительной техники."

Лекция "Основы вычислительной техники."

Лекция "Основы вычислительной техники."

Лекция "Основы вычислительной техники."

Лекция "Основы вычислительной техники."

Лекция "Основы вычислительной техники."

Лекция "Основы вычислительной техники."

Лекция "Основы вычислительной техники."

Лекция "Основы вычислительной техники."

Лекция "Основы вычислительной техники."

Лекция "Основы вычислительной техники."

Лекция "Основы вычислительной техники."

Лекция "Основы вычислительной техники."

Лекция "Основы вычислительной техники."

Лекция "Основы вычислительной техники."

Лекция "Основы вычислительной техники."

Лекция "Основы вычислительной техники."

Лекция "Основы вычислительной техники."

Лекция "Основы вычислительной техники."
Материалы на данной страницы взяты из открытых истончиков либо размещены пользователем в соответствии с договором-офертой сайта. Вы можете сообщить о нарушении.
24.02.2017