Общие принципы организации и работы компьютера

С давних времен люди стремились облегчить свой труд. С этой целью создавались различные машины и механизмы, усиливающие физические возможности человека. Компьютер был изобретен в середине XX века для усиления возможностей интеллектуальной работы человека, т.е. работы с информацией.

Из истории науки и техники известно, что идеи многих изобретений человек подглядел в природе. Например, еще в XV веке великий итальянский ученый и художник Леонардо да Винчи изучал строение тел птиц и использовал эти знания для конструирования летательных аппаратов. Русский ученый Н.Е. Жуковский, основоположник науки аэродинамики, также исследовал механизм полета птиц.

А с кого списали компьютер? С самого себя. Только человек постарался передать компьютеру не свои физические, а свои интеллектуальные способности, т.е. возможность работы с информацией.

По своему назначению компьютер — это универсальное техническое средство для работы с информацией.

По принципам своего устройства компьютер — это модель человека, работающего с информацией. Имеются четыре основных компонента информационной функции человека:

прием (ввод) информации;

запоминание информации (память);

процесс мышления (обработка информации);

передача (вывод) информации.

Компьютер включает в себя устройства, выполняющие эти же функции мыслящего человека:

устройства ввода,

устройства запоминания (память),

устройство обработки (процессор),

устройства вывода.

Работая с информацией, человек пользуется не только теми знаниями, которые помнит, но и книгами, справочниками и другими внешними источниками. У компьютера тоже есть два вида памяти: оперативная (внутренняя) и долговременная (внешняя) память.

Конструктивно эти части могут быть объединены в одном корпусе размером с книгу или же каждая часть может состоять из нескольких достаточно громоздких устройств.

Схема устройства компьютера:

1.1. Принцип действия компьютера

Выдающимся английским математиком и изобретателем Чарльзом Бэббиджем (1792-1871) в Аналитической машине, которая, к сожалению, так и не была до конца построена изобретателем при жизни, но была воспроизведена в наши дни по его чертежам, был реализован принцип разделения информации на команды и данные. Аналитическая машина содержала 2 крупных узла – «склад» и «мельницу». Данные вводились в механическую память «склада» путем установки блоков шестерен, а потом обрабатывалась в «мельнице» с использованием команд, которые вводились с перфорированных карт.

Идея Чарльза Бэббиджа о раздельном рассмотрении команд и данных оказалась необычайно плодотворной. В ХХ 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.

Возможность представления любых чисел (да и не только чисел) двоичными цифрами впервые была предложена Готфридом Вильгельмом Лейбницем в 1966 году. Попытка представить 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.

Принципы фон Неймана

1. Принцип двоичного кодирования. Это означает, что вся информация в компьютере передается и хранится в двоичном виде.

2. Принцип программного управления. Тут речь идет о том, что программа представляет собой набор команд, которые процессор выполняет автоматически и в определенной последовательности.

3. Принцип однородности памяти. Разнотипная информация различается по способу использования, а не по способу кодирования.

4. Принцип адресности. Информация размещается в ячейках памяти, которые имеют точный адрес. Зная адрес, ЦП может получить доступ к нужной информации в любой момент времени.

В 1949 г. английским исследователем Морисом Уилксом был построен первый компьютер, в котором были воплощены принципы фон Неймана.

В основе любого современного компьютера лежит тактовый генератор, вырабатывающий через равные интервалы временны 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) или вручную с помощью внешних органов управления – кнопок, переключателей, перемычек и т.п. (в ранних моделях). В современных компьютерах внешнее управление в значительной степени автоматизировано с помощью специальных аппаратно-логических интерфейсов, к которым подключаются устройства управления и ввода данных (клавиатура, мышь, джойстик и другие). В отличие от программного управления такое управление называется интерактивным.

1.2. Типы современных ЭВМ и их классификация

По принципу применения компьютера различают СуперЭВМ, большие ЭВМ, мини-ЭВМ, микро-ЭВМ, персональные компьютеры, которые, в свою очередь, подразделяются на массовые, деловые, портативные, развлекательные и рабочие станции.

1. СуперЭВМ –это самые мощные компьютеры,предназначены для решения громоздких задач в военном деле, экономике, космонавтике, метеорологии и пр. Это очень сложные и дорогие машины. Лучшие ПЭВМ по производительности примерно в 100 тыс. раз слабее суперЭВМ.

В мае 2005 года установлен новый рекорд быстродействия для компьютера. СуперЭВМ IBM BlueGene/L в Lawrence Livermore National Laboratory достиг на тесте Linpack производительности 135.3 Tflop/s(135 триллионов операций в секунду над числами с плавающей запятой). Компьютер предназначается для моделирования ядерных взрывов и обеспечения интересов национальной безопасности США.

Родоначальником производства суперкомпьютеров считается американская компания Cray Research.

Серийно суперЭВМ производятся только в Японии и США. В России их делают в единичных экземплярах и по производительности они сильно отстают от лидеров.

2. Мэйнфреймы или большие вычислительные комплексы (БВК). Ориентировочные данные подобных ЭВМ: быстродействие до 5 млн опер./с; объем ОЗУ до 8 Мбайт; занимаемая площадь от 50 до 200 м2;

Мэйнфрейм начала XXI века — это 1 или 2 стойки высотой по 2 м и весом по 1 т каждая.

Область применения БВК — решение особо ответственных задач в военной, финансовой и прочих сферах — там, где требуется исключительная надежность работы. От суперЭВМ мэйнфреймы отличаются прежде всего огромным количеством пользователей и более отказоустойчивой работой.

В них используются все известные средства повышения производительности и надежности вычислительных систем. Поэтому сравнивать БВК даже десятилетней давности с современным ПЭВМ только по производительности и объему ОЗУ сложно. Стоимость современных серийно выпускаемых мэйнфреймов исчисляется миллионами долларов за 1 штуку. Но в крупных организациях применение БВК экономически более оправдано, чем применение сетей ПК, так как их обслуживание значительно дешевле. К сожалению, дипломированных специалистов по мэйнфреймам в России не готовят, хотя БВК используются практически в каждом крупном городе. И, конечно, мэйнфреймы у нас не разрабатываются и не производятся.

В настоящее время около 70% деловой информации в мире хранится на мэйнфреймах.

3. Мини-ЭВМ – от больших отличаются уменьшенными размерами, меньшей производительностью и стоимостью. Ранее они использовались в небольших организациях для решения сравнительно небольших задач. Примерные данные их: быстродействие до 1,5 млн операций в секунду (MIPS). Для организации работы с мини-ЭВМ тоже требунтся специальный вычислительный центр, хотя и не такой многочисленный, как для больших ЭВМ- занимаемая площадь до 30 м².

Они находят применение, например, в банковской сфере, в качестве серверов (центральных ЭВМ) высоко надежных локальных вычислительных сетей с числом рабочих станций до 300. Используются крупными предприятиями, научными учреждениями и некоторыми вузами, сочетающими учебную деятельность с научной.

Мини ЭВМ часто применяют для управления производственными процессами, например, в механическом цехе компьютер может поддерживать ритмичность подачи заготовок, узлов и комплектующих на рабочее место; управлять автоматизированными линиями и промышленными роботами; своевременно информировать цеховые и заводские службы о необходимости выполнения мероприятий по переналадке оборудования и т.д.

4. Рабочие станции — это младшие модели супер-ЭВМ, их производительность выше, чем у самых мощных ПК. Чаще всего это однопользовательские компьютеры. Применяются рабочие станции в студиях анимации, при разработках в системах автоматизированного проектирования.

Приведем короткое описание настольной рабочей станции HP с8000. Содержит 2 или 4 процессора, поддерживает лучшие графические адаптеры совместимость на уровне двоичных кодов с приложениями HP-UX 10.20, HP-UX 11.0 и HP-UX Hi. Стандартной является 2-процессорная архитектура (РА-8800 900 МГц и 1 ГГц с технологией Dual Core), а 4-процес-сорная система ориентирована на работу с ресурсоемкими приложениями, в том числе графическими. HP c8000 поддерживает 16 ГБ высокопроизводительной памяти SDRAM с функцией обнаружения и исправления ошибок (ЕСС), что позволяет справляться с самой большой нагрузкой без ущерба для качества и стабильности. Модули DIMM 4 ГБ следующего поколения позволяют увеличить объем памяти до 32 ГБ.

5. Микро-ЭВМ. Компьютеры данного класса доступны многим предприятиям. Создание вычислительных центров не требуется, достаточно небольшой лаборатории в составе нескольких человек. Программисты вычислительной лаборатории занимаются внедрением приобретенного или заказного программного обеспечения, выполняют его доводку и настройку, согласовывают его работу с другими программами и устройствами компьютера.

6. Персональные ЭВМ (ПЭВМ, ПК). Обладая большими возможностями, они вытеснили мэйнфреймы и мини-ЭВМ из многих областей деятельности. И действительно, их возможности велики: производительность — более 1 млн опер./с (тактовая частота может превышать 3600 МГц); объем ОЗУ 1 Гбайт; объем винчестера — 300 Гбайт.

7. Карманные персональные компьютеры (0,5—0,1 кг) — КПК имеют в виде своей более простой разновидности электронные записные книжки (они позволяют только записывать и читать текст). Эти ЭВМ отличаются от ПК не только размерами, но и тем, что формат данных, применяемый в них, не совместим с ПК. В них используются собственные операционные системы.

8. Смартфоны (умные телефоны) можно условно выделить в отдельный тип ЭВМ, так как у них огромные перспективы. Эти устройства являются гибридами сотовых телефонов и карманных персональных компьютеров (КПК). Для примера рассмотрим некоторые характеристики одного из популярных коммуникаторов.

2. Основы построения компьютерных систем

2.1. Архитектура современных компьютеров

С середины 60-х годов существенно изменился подход к созданию вычислительных машин. Вместо независимой разработки аппаратуры и некоторых средств математического обеспечения стала проектироваться система, состоящая из совокупности аппаратных (hardware) и программных (software) средств. При этом на первый план выдвинулась концепция их взаимодействия. Так возникло принципиально новое понятие — архитектура ЭВМ.

Под архитектурой ЭВМ понимается совокупность общих принципов организации аппаратно-программных средств и их характеристик, определяющая функциональные возможности ЭВМ при решении соответствующих классов задач.

Архитектура ЭВМ охватывает широкий круг проблем, связанных с построением комплекса аппаратных и программных средств и учитывающих множество факторов. Среди этих факторов важнейшими являются: стоимость, сфера применения, функциональные возможности, удобство эксплуатации, а одним из главных компонентов архитектуры являются аппаратные средства. Основные компоненты архитектуры ЭВМ можно представить в виде схемы, показанной на рис. 2.

-

Рис.2. Основные компоненты архитектуры ЭВМ.

Архитектуру вычислительного средства следует отличать от его структуры. Структура вычислительного средства определяет его конкретный состав на некотором уровне реализации (устройства, блоки узлы и т. д.) и описывает связи внутри средства во всей полноте. Архитектура же определяет правила взаимодействия составных частей вычислительного средства, описание которых выполняется в той мере, в какой это необходимо для формирования правил их взаимодействия. Она регламентирует не все связи, а более важные, которые должны быть известны для более грамотного использования того или иного средства.

Так, пользователю ЭВМ безразлично, на каких элементах выполнены электронные схемы, схемно или программно реализуются команды и т. д. Важно другое: как те или другие структурные особенности ЭВМ связаны с возможностями, предоставляемыми пользователю, какие альтернативы реализованы при создании машины и по каким критериям принимались решения, как связаны между собой характеристики отдельных устройств, входящих в состав ЭВМ, и какое влияние они оказывают на общие характеристики машины. Иными словами, архитектура ЭВМ действительно отражает круг проблем, относящихся к общему проектированию и построению вычислительных машин и программного обеспечения.

2.2. Основные компоненты ПК

Основная компоновка частей компьютера и связь между ними называется архитектурой. При описании архитектуры компьютера определяется состав входящих в него компонент, принципы их взаимодействия, а также их функции и характеристики.

В основу архитектуры современных компьютеров положен магистрально-модульный принцип построения. Модульный принцип позволяет пользователю самому комплектовать нужную ему конфигурацию и производить при необходимости, модернизацию. Модульная организация опирается на магистральный (шинный) принцип обмена информацией между устройствами.

Магистраль (системная шина) включает в себя три многоразрядные шины: шину данных, шину адреса и шину управления.

Шина данных. По этой шине данные передаются между устройствами. Например, считанные из оперативной памяти данные могут быть переданы процессору для обработки, а затем полученные данные могут быть отправлены в оперативную память, или в устройство вывода. Данные могут передаваться от устройства к устройству в любом направлении.

Разрядность ШД определяется разрядностью процессора, т.е. количеством двоичных разрядов, которые процессор обрабатывает. Варианты разрядности представлены на рис.3.

Шина данных (8,16, 32, 64 бит)

Шина адреса (16, 20, 24, 32 бит) МАГИСТРАЛЬ

Шина управления

	Устройства ввода				Сетевые устройства

Рис. 3. Магистрально-модульное устройство компьютера.

Шина адреса. Выбор устройств или ячейки памяти, куда пересылаются или откуда считываются данные по шине данных, производит процессор. Каждое устройство или ячейка памяти имеют свой адрес. Адрес передается по адресной шине, причем сигналы по ней передаются в одном направлении от процессора к памяти или устройству.

Разрядность шины данных определяет размер адресного поля процессора. Количество адресуемых ячеек памяти определяется выражением:

N = 2^I

где I – разрядность ША.

Для 32-разрядного компьютера адресное пространство составляет:

N = 2³² = 4 294 967 296 = 4 Гбайт

Шина управления. По шине управления передаются управляющие сигналы, которые определяют, какую операцию нужно производить: записи или считывания информации, синхронизации обмена между устройствами и т.д.

Процессор. Важнейшей характеристикой процессора, определяющей его быстродействие, является его частота, т.е. количество операций в секунду. Частота современных компьютеров измеряется в ГГц.

Другой важной характеристикой является производительность процессора. Это интегральная характеристика – зависит от частоты, разрядности и архитектурных особенностей процессора. Производительность определяется в процессе тестирования по скорости определенных операций.

Оперативная (основная) память. Входит в состав электронной памяти.

Электронная память применяется практически во всех современных вычислительных системах и делится на следующие виды:

Оперативная (основная) память (Main Memory) используется для обмена информацией между процессором, внешней памятью (постоянной или долговременной) и УВВ. Этот вид памяти называют RAM (Random Access Memory) – память с произвольным доступом или в русской интерпретации ее называют ОЗУ – оперативное запоминающее устройство.

КЭШ-память (Cache Memory) – сверхоперативная память (СОЗУ), является буфером между ОЗУ и процессором. КЭШ хранит копии блоков данных тех областей ОЗУ, к которым происходили последние обращения, и весьма вероятное последующее обращение к тем же данным будет обслужено быстрее.

Полупостоянная память. Используется для хранения информации о конфигурации ВС, а также системных даты и времени. Сохранность данных обеспечивается внутренним источником питания – аккумулятором.

Основными характеристиками МП являются:

быстродействие, производительность, тактовая частота.

Единицами измерения быстродействия служат:

•МИПС (MIPC -Vega Instruction Per Second)- миллион операций над числами с фиксированной запятой (точкой):

•МФЛОПС (MFLOPS- Mega Floating Operations Second)- миллион операций над числами с плавающей запятой (точкой);

•КОПС (KOPS- Kilo Operations Per Second)-для низкопроизводительных ЭВМ - тысяча неких усредненных операций над числами;

•ГФЛОПС (GFLOPS - Gigа Floating Operations Per Second) -миллиард операций в секунду над числами с плавающей запятой (точкой).

Оценка производительности ЭВМ всегда приблизительная, ибо при этом ориентируются на некоторые усредненные или, наоборот, на конкретные виды операций. Реально при решении различных задач используются и различные наборы операций. Поэтому для характеристики ПК вместо производительности обычно указывают тактовую частоту, более объективно определяющую быстродействие машины. И так как каждая операция требует для своего выполнения вполне определенного количество тактов. Зная тактовую частоту, можно достаточно точно определить время выполнения любой машинной операции.

Процессор

Процессор - организует процесс исполнения программ, выполняет арифметические и логические операции.

Главные характеристики процессора:

· поколение, к которому он принадлежит;

· тактовая частота в Мега Герцах (миллионов колебаний в секунду).

· Производительность (зависит от частоты, разрядности и архитектурных особенностей процессора.

Поколения процессоров
(через дефис указана тактовая частота в МГц)

Pentium (произносится Пе́нтиум) — торговая марка нескольких поколений микропроцессоров семейства x86, выпускаемых корпорацией Intel с 22 марта 1993 года. Pentium является процессором Intel пятого поколения и пришёл на смену Intel 80486 (который часто называют просто 486).