Структура и принцип действия ЭВМ

Контрольная работа

по дисциплине:

“ Информатика ”

на тему:

“ Структура и принцип действия ЭВМ”  
 
 
 
 
 

Выполнил: студент гр. 3тз-88

Полухин В.А.

                                               Проверил: 
 
 
 
 

Новосибирск

2011

     Содержание

     Введение

             1.Этапы развития ЭВМ

             2.Структура  ЭВМ и принцип работы

          Заключение

          Список литературы 

                                            Введение 

     ЭВМ (компьютеры) в настоящее время  являются основными средствами реализации информационных технологий. При помощи ЭВМ осуществляют сбор, обработку, хранение и передачу информации, представленной в дискретной форме. Очень часто  информационные технологии, ориентированные  на обработку данных в дискретной форме, называют компьютерными технологиями.

     Последовательности  обработки данных на ЭВМ задаются пользовательскими программами. Программы  этого типа были единственными для  первых ЭВМ. Но развитие ЭВМ и опыт их эксплуатации выявили полезность применения программ другого типа, предназначенных для повышения "интеллектуальных" способностей ЭВМ и упрощающих управление устройствами ЭВМ. Это системные  программы, поставляемые изготовителями как компоненты ЭВМ.

     Цель  данной работы рассмотреть функционально-структурную  организацию ЭВМ.

     Задачи:

• Рассмотреть состав и назначение основных блоков компьютера.
• Рассмотреть краткую характеристики компонентов ЭВМ

1.Этапы  развития ЭВМ.

     Первые  универсальные электронно-вычислительные машины (ЭВМ)  были теоретически обоснованы в 1946 году американскими учеными  Дж. фон Нейманом, Г.Гольдстайном и  А.Берисом. Первые опытные образцы ЭВМ были изготовлены в конце 1940-х гг. с использованием электронных ламп и по производительности отставали от современных калькуляторов. Их условно называют ЭВМ  первого поколения.

       В дальнейшем развитие ЭВМ   выделяют следующие этапы:

     - второе поколение ЭВМ – изобретение   транзисторов;

     - третье поколение ЭВМ  - создание  интегральных схем;

     - четвертое поколение ЭВМ –  появление микропроцессоров (1971 г.)

     Началась  эра персональных компьютеров (ПК). Персональный компьютер – компьютер, предназначенный для работы  в офисе и дома. Настроить, обслуживать и установить программное обеспечение компьютеров этого вида может сам пользователь.

     Первые  микропроцессоры создала компания Intel. Сначала это были 8-разрядные микропроцессоры, затем 16-разрядные. Они были применены в персональных компьютерах фирмы IBM, а программное обеспечение для данного компьютера создала фирма Microsoft. Проект завершился в августе 1981 года, и новый ПК стал называться IBM PC.

     В 1984 г. появился ПК Macintosh фирмы Apple – конкурента компании IBM. В середине 1980-х были выпущены компьютеры на базе 32- разрядных микропроцессоров, а в настоящее время имеются 64-разрядные системы.

     Выделяются  следующие группы средств вычислительной техники:

      - супер ЭВМ – уникальная сверхпроизводительная система, используемая при решении сложнейших задач, при больших вычислениях;

      -  персональный компьютер (ПК);

      - профессиональная рабочая станция – компьютер, обладающий огромной производительностью и предназначенный для профессиональной деятельности в некоторой области; чаще всего его снабжают дополнительным оборудованием и специализированным программным обеспечением;

      - ноутбук – переносной компьютер, обладающий вычислительной мощностью ПК; он может в течение некоторого времени функционировать без питания от электрической сети;

      - карманный ПК (электронный органайзер), не превосходящий по размерам калькулятор, клавиатурный и бесклавиатурный, по своим функциональным возможностям похож на ноутбук;

      - сетевой ПК – компьютер для делового применения с минимальным набором внешних устройств. Поддержка работы и установка программного обеспечения осуществляется централизованно. Его также применяют для работы в вычислительной сети и для функционирования в автономном режиме;

      - терминал – устройство, применяемое при работе в автономном режиме. Терминал не содержит процессора для выполнения команд. Он выполняет операции по вводу и передаче команд пользователя другому компьютеру и выдаче пользователю результата.

2.Структура   ЭВМ и принцип работы

        Электронная вычислительная машина (ЭВМ) — это устройство, выполненное на электронных приборах, предназначенное для автоматического преобразования информации под управлением программы.

     Исторически компьютер появился как машина для  вычислений и назывался электронной вычислительной машиной — ЭВМ. Структура такого устройства была описана знаменитым математиком Джоном фон Нейманом в 1945 г.Структура компьютера – это некоторая модель, устанавливающая состав, порядок и принципы взаимодействия входящих в нее компонентов. 
 
 

     Процессор выполняет логические и арифметические операции, определяет порядок выполнения операций, указывает источники данных и приемники результатов. Работа процессора происходит под управлением программы.

     При первом знакомстве с ЭВМ считают, что процессор состоит из четырех  устройств: арифметико-логического  устройства (АЛУ), устройства управления (УУ), блока регистров (БР) и кэш-памяти. АЛУ выполняет арифметические и  логические операции над данными. Промежуточные  результаты сохраняются в БР. Кэш-память служит для повышения быстродействия процессора путем уменьшения времени  его непроизводительного простоя. УУ отвечает за формирование адресов  очередных команд, т. е. за порядок  выполнения команд, из которых состоит  программа.

     Программа — это набор команд (инструкций), составленный человеком и выполняемый ЭВМ. Команда обеспечивает выработку в УУ управляющих сигналов, под действием которых процессор выполняет элементарные операции.

     Таким образом, программы состоят из команд, а при выполнении команд процессор  разбивает команды на элементарные операции.

     Элементарными операциями для процессора являются арифметические и логические действия, перемещение данных между регистрами процессора, счет и т. д.

     Основной  функцией системной шины является передача информации между процессором и  остальными устройствами ЭВМ. Системная  шина состоит из трех шин: шины управления, шины данных и адресной шины. По этим шинам циркулируют управляющие  сигналы, данные (числа, символы), адреса ячеек памяти и номера устройств  ввода-вывода.

     Память  предназначена для записи, хранения, выдачи команд и обрабатываемых данных.

     Существует  несколько разновидностей памяти:

        - оперативная,

        - постоянная,

        - внешняя,

        - кэш,

        - CMOS (КМОП),

        - регистровая.

       Существование целой иерархии  видов памяти объясняется их  различием по быстродействию, энергозависимости,  назначению, объему и стоимости.  Многообразие видов памяти помогает  снять противоречие между высокой  стоимостью памяти одного вида  и низким быстродействием памяти  другого вида.

     Память  современных компьютеров строится на нескольких уровнях, причем память более высокого уровня меньше по объему, быстрее и в пересчете на один байт памяти имеет большую стоимость, чем память более низкого уровня.

     Регистровая память — наиболее быстрая (ее иногда называют сверхоперативной). Она представляет собой блок регистров (БР), которые размещены внутри процессора. Регистры используются при выполнении процессором простейших операций: пересылка, сложение, счет, сдвиг операндов, запоминание адресов, фиксация состояния процессора и т. д.

     Наилучшим вариантом было бы размещение всей памяти на одном кристалле с процессором. Однако из-за существующих технологических  сложностей изготовления памяти большого объема пришлось бы большое число  микросхем отправить в брак.

     Кэш-память по сравнению с регистровой памятью имеет больший объем, но меньшее быстродействие. В ЭВМ число запоминающих устройств с этим видом памяти может быть различным. В современных ЭВМ имеется два-три запоминающих устройства этого вида.

     Кэш-память первого уровня располагается внутри процессора, а кэш-память второго  уровня — вне процессора (на так  называемой материнской плате).

     Материнская (системная) плата — важнейший элемент ПК, на ней размещаются устройства непосредственно осуществляющие процесс обработки информации (вычислений), как правило это микропроцессор, внутренняя память, системная шина, контроллер клавиатуры, генератор тактовой частоты, контроллер прерываний, таймер и др.

     В переводе с английского языка  слово cache (кэш) означает «тайник», так  как кэш-память недоступна для программиста (она автоматически используется компьютером). Кэш-память используется для ускорения выполнения операций за счет запоминания на некоторое  время полученных ранее данных, которые  будут использоваться процессором  в ближайшее время. Введение в  компьютер кэш-памяти позволяет  сэкономить время, которое без нее  тратилось на пересылку данных и  команд из процессора в оперативную  память (и обратно). Работа кэш-памяти строится так, чтобы до минимума сократить  время непроизводительного простоя  процессора (время ожидания новых  данных и команд).

     Этот  вид памяти уменьшает противоречие между быстрым процессором и  относительно медленной оперативной  памятью.

     Энергозависимая память CMOS (КМОП-память) служит для запоминания конфигурации данного компьютера (текущего времени, даты, выбранного системного диска и т. д.). Для непрерывной работы этого вида памяти на материнской плате ЭВМ устанавливают отдельный малогабаритный аккумулятор или батарею питания.

     Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) используется для кратковременного хранения переменной (текущей) информации и допускает изменение своего содержимого в ходе выполнения процессором вычислительных операций. Это значит, что процессор может выбрать из ОЗУ команду или обрабатываемые данные (режим считывания) и после арифметической или логической обработки данных поместить полученный результат в ОЗУ (режим записи). Размещение новых данных в ОЗУ возможно на тех же местах (в тех же ячейках), где находились исходные данные. Понятно, что прежние команды (или данные) будут стерты.

     В качестве запоминающих элементов в  ОЗУ используются либо триггеры (статическое  ОЗУ), либо конденсаторы (динамическое ОЗУ).

     ОЗУ — это энергозависимая память, поэтому при выключении питания информация, хранившаяся в ОЗУ, теряется безвозвратно.

     По  быстродействию ОЗУ уступает кэш-памяти и тем более сверхоперативной памяти — БР. Но стоимость ОЗУ  значительно ниже стоимости упомянутых видов памяти.

     В постоянном запоминающем устройстве (ПЗУ) хранится информация, которая не изменяется при работе ЭВМ. Такую информацию составляют тест-мониторные программы (они проверяют работоспособность компьютера в момент его включения), драйверы (программы, управляющие работой отдельных устройств ЭВМ, например, клавиатурой) и др.

     ПЗУ является энергонезависимым устройством, поэтому информация в нем сохраняется  даже при выключении электропитания. 

     Перспективным видом постоянной памяти является память с электрическим способом стирания и записи информации (FLASH-память), которая  при острой необходимости позволяет  перепрограммировать ПЗУ и тем  самым оперативно улучшить характеристики ЭВМ.

     Внешние запоминающие устройства (ВЗУ) предназначены для долговременного хранения информации. К ВЗУ относятся накопители на магнитной ленте (магнитофоны, стримеры), накопители на жестких дисках (винчестеры), накопители на гибких дисках, проигрыватели оптических дисков. ВЗУ по сравнению с ОЗУ имеют, в основном, больший объем памяти, но существенно меньшее быстродействие.

     К устройствам ввода  информации относятся: клавиатура, мышь, трекбол, джойстик, трекпойнт, трекпад, сканер, сенсорный экран, световое перо, информационные перчатки, информационный костюм, шлем, джойстринг, диджитайзер, цифровая видеокамера, микрофон, датчики и др.

     К устройствам вывода информации относятся: дисплей (монитор), принтер, плоттер, акустические колонки и др.

     Модем выполняет функции и устройств ввода, и устройств вывода информации. Он позволяет соединяться с другими удаленными компьютерами с помощью телефонных линий связи и обмениваться информацией между ЭВМ. Модем на передаче превращает цифровые сигналы в звуки, а на приеме – наоборот.

     Системная шина - основная интерфейсная система компьютера, обеспечивающая сопряжение и связь всех его устройств между собой. Она включает в себя провода, разъемы и схемы сопряжения для параллельной передачи всех разрядов числового кода операнда, адреса ячейки памяти или команды. Системная шина включает в себя: кодовую шину данных (КШД); кодовую шину адреса (КША); кодовую шину команд (КШК); шину питания, имеющую провода и схемы подключения для блоков ПК к системе энергопитания.

     Шины  ЭВМ характеризуются разрядностью и скоростью передачи информации (байт/с). Разрядность шины -- число  проводов, по которым передаются двоичные сигналы. Разрядность шины данных обычно такая же как у микропроцессора.

     Системная шина обеспечивает три направления  передачи информации: 1) между микропроцессором и ОЗУ; 2) между микропроцессором и портами ввода-вывода внешних  устройств (клавиатура, монитор); 3) между  ОЗУ и портами ввода-вывода внешних  устройств (в режиме прямого доступа  к памяти).

     Одной из плодотворных идей, положенных в  основу персональных компьютеров, является открытость архитектуры. Согласно этой концепции, каждый пользователь может  самостоятельно формировать конфигурацию своего компьютера по своему усмотрению. Это означает, что в зависимости  от потребности пользователь может  подключить к системной шине различные  устройства: модем, звуковую плату, клавиатуру электромузыкального инструмента, плату телевизионного приемника  и т. п. Открытость архитектуры позволяет  легко модернизировать имеющийся  компьютер, например, путем замены винчестера на жесткий диск большего объема, замены процессора, увеличения объема оперативной  памяти и т. д.

     Основные  принципы работы ЭВМ.

     Современные ЭВМ построены в соответствии с принципами, сформулированными  фон Нейманом в 1945 г.:

     1. Принцип программного управления: ЭВМ работает по программе,  которая находится в оперативной  памяти и выполняется автоматически;  программы дискретны и представляют  собой последовательность команд, каждая из которых осуществляет  отдельный акт преобразования  информации; все разновидности команд  образуют систему команд машины.

     2. Принцип условного перехода: При  выполнении программы возможен  переход к той или иной команде  в зависимости от промежуточных  результатов вычислений; это допускает  создание циклов.

     3. Принцип хранимой информации: Команды  как и операнды представляются  в машинном коде и хранятся  в оперативной памяти. При работе  команды обрабатываются устройством  управления процессора, а операнды -- арифметико-логическим устройством. 

     4. Принцип использования двоичной  системы счисления: Информация  кодируется в двоичной форме  и разделяется на элементы, называемыми  словами. В двоичной системе  используются две цифры 0 и  1, что соответствует двум состояниям  двустабильной системы (кнопка  нажата-отпущена, транзистор открыт-закрыт, ...)

     5. Принцип иерархичности ЗУ: Компромиссом  между необходимыми большой емкостью  памяти, быстрым доступом к данным, дешевизной и надежностью является  иерархия запоминающих устройств: 1) быстродействующее ОЗУ, имеющее  небольшую емкость для операндов  и команд, участвующих в вычислениях; 2) инерционное ВЗУ, имеющее большую  емкость для информации, не участвующей  в данный момент в работе  ЭВМ.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Заключение

       В данной работе была раскрыта структурная  схема ЭВМ. Структура компьютера – это некоторая модель, устанавливающая состав, порядок и принципы взаимодействия входящих в нее компонентов. Центральной частью компьютера является системный блок, с присоединенными к нему клавиатурой, монитором и мышью. Описаны основные компоненты ЭВМ: микропроцессор, внешняя и внутренняя память, , системная шина, устройства ввода и вывода информации и другие. Рассмотрен принцип взаимодействия основных устройств.

       Разобраны основные виды памяти и их основные характеристики,. Оперативная память — устройство, предназначенное для хранения обрабатываемой информации (данных) и программ, управляющих процессом обработки информации. CMOS-память предназначена для длительного хранения данных о конфигурации и настройке компьютера (дата, время, пароль), в том числе и когда питание компьютера выключено.

     В заключении работы еще раз повторим , что ЭВМ (компьютеры) являются основными средствами реализации информационных технологий. При помощи ЭВМ осуществляют сбор, обработку, хранение и передачу информации, представленной в дискретной форме.

     Развитие ЭВМ и опыт их эксплуатации с каждым годом растет.  
 
 
 
 
 
 
 
 

     Список  литературы

1. Вировлянская  И.А. информатика. Программа и методические указания для всех специальностей.;Н.Новгород,2008
2. Информатика: Учебник. Под ред. Макаровой Н. В. М.: Финансы и статистика, 2000.
3. http://www.ggpi.org/metod/kaf_d_ph/glava2/glava2.html