что такое устройство эвм
Что такое ЭВМ? Поколения ЭВМ.
Каждый из нас слышал такой термин, как ЭВМ. Однако что это такое, точно сказать может не каждый. Также не все представляют, какую историю прошла данная техника, чтобы стать привычной для сегодняшнего пользователя.
Определение
Первое поколение
Ламповые ЭВМ стали первыми вычислительными машинами, выпуск которых начался в начале 50-х годов прошлого столетия. Примерно в то время люди начале массово узнавать, что такое ЭВМ.
В Соединенных Штатах о том, что такое ЭВМ, знали также многие. Представителем первого поколения электронных вычислительных машин стал «Эдвак». Однако он значительно уступал по параметрам отечественному компьютеру. Связано это было с тем, что БЭСМ-2 применял новые принципы построения. Советская машина могла совершать около десяти тысяч операций в секунду.
Структурно первое поколения ЭВМ было очень схожим с машиной фон Неймана. Конечно, параметры были во много раз хуже, чем у современных самых малофункциональных представителей компьютерной техники. Программы для ЭВМ первого поколения составлялись при помощи машинного кода.
Представители таких машин отличались огромными габаритами и высоким потреблением энергии. Цена машины являлась неподъемной для простых пользователей. Кроме этого, управлять ими мог только специально обученный оператор ЭВМ, так как все программы были сложны для понимания. Поэтому использовались они лишь учеными для каких-либо научно-технических задач.
Вскоре появились первые языки программирования: символическое кодирование и автокоды.
Второе поколение
В 1948 году был создан первый транзистор. Разработкой занимались физики Джон Бардин и Уильям Шокли, а также экспериментатор Уолтер Браттейн. Первые представители данного поколения ЭВМ, которые были созданы на основе транзисторов в конце 50-х годов, а к середине 60-х стали появляться компьютеры, имеющие значительно меньшие габариты.
Главной отличительной чертой транзистора является то, что он способен работать как сорок ламп, но при этом скорость у него выше. Кроме того, эти устройства требовали гораздо меньше энергии и практически не грелись. Параллельно с этим увеличивался и объем памяти для хранения информации. Благодаря стараниям ученых компьютеры получили быстродействие, равное миллиону операций в секунду.
Американским представителем является устройство ЭВМ «Атлас». Советский Союз может быть представлен машиной БЭСМ-6.
Все улучшения, произошедшие с появлением транзисторов, позволили значительно расширить сферы применения ЭВМ. Активно стали создаваться языки программирования для различных целей. Примером могут выступать фортран и кобол.
Однако по-прежнему машины страдали от нехватки памяти. Для экономии пространства стали разрабатывать операционные системы, которые позволяли более рационально распределять ресурсы.
Третье поколение
Данное поколение представлено, прежде всего, ЭВМ, которые были основаны на интегральных микросхемах. При помощи ИС удалось добиться еще большего быстродействия, уменьшить размер, увеличить надежность, а также сократить стоимость устройства.
Вскоре начали появляться первые так называемые мини-ЭВМ. Это были простые, небольшие, надежные и недорогие машинки. Первоначально они предназначались для создания контроллеров, но вскоре потребители поняли, что их можно использовать как обычные вычислительные машины. Благодаря низкой цене и простоте мини-ЭВМ появлялись практически у каждой компании разработчиков, исследователей, инженеров и так далее.
Четвертое поколение
Значительные успехи в разработках ЭВМ привели к появлению больших интегральных схем. Представляли они собой кристалл, который включал в себя тысячи электронных элементов. Благодаря низкой стоимости и неплохим параметрам ЭВМ на БИС получили огромную популярность.
В апреле 1976 года два друга разработали первый в мире персональный компьютер. Известные многим Стив Джобс и Стив Возняк трудились вечерами в гараже над созданием ПК, который впоследствии получил название Appl и обрел огромную популярность. Уже через год была создана одноименная компания, которая занялась выпуском персональных компьютеров.
Пятое поколение
Переход к пятому поколению ЭВМ произошел в конце 80-х годов с появлением микропроцессоров. Именно тогда состоялся переход к работе в оболочках и программных средах. Производительность машин выросла до 10 9 операций в секунду. Разрабатывались ЭВМ, направленные на языки высокого уровня.
Благодаря операционным системам, которые обеспечили простое управление устройством, компьютер стал незаменим практически для каждой сферы человеческой жизни.
Устройства ЭВМ
Комплекс технических средств, реализующих функцию памяти, называется запоминающим устройством (ЗУ). ЗУ необходимы для размещения в них команд и данных. Они обеспечивают центральному процессору доступ к программам и информации.
Запоминающие устройства делятся на основную или оперативную память (ОП), сверхоперативную память (СОЗУ), ассоциативную память ( память с выборкой по содержанию) и внешние запоминающие устройства ( ВЗУ ).
Основная память
ОЗУ предназначено для хранения переменной информации. Оно допускает изменение своего содержимого в ходе выполнения процессором вычислительных операций с данными и может работать в режимах записи, чтения, хранения.
Функциональные возможности ОЗУ шире, чем ПЗУ. Но ПЗУ сохраняет информацию при отключении питания (т.е. является энергонезависимой памятью).
В современных ЭВМ микросхемы памяти изготавливают из кремния по полупроводниковой технологии с высокой степенью интеграции элементов на кристалле.
Основной составной частью микросхемы является массив элементов памяти (ЭП), объединенных в матрицу накопителя.
По шине управления передается сигнал, определяющий, какую операцию необходимо выполнить.
По шине данных передается информация, записываемая в память или считываемая из нее.
По шине адреса передается адрес участвующих в обмене элементов памяти (поскольку данные передаются машинными словами, а один ЭП может воспринять только один бит информации, блок элементов памяти состоит из 
матриц ЭП, где — количество разрядов в машинном слове).
Максимальная емкость памяти определяется количеством линий в шине адреса системной магистрали: если количество линий обозначить 
, то емкость памяти (т. е. количество элементов памяти, имеющих уни-кальные адреса) определяется как 
. Так, в IBM PC XT шина адреса СМ содержала 20 линий. Поэтому максимальный объем ОП в этих машинах равен 
Мбайт. В IBM PC AT (с микропроцессором i80286) СМ содержит 24 линии, поэтому объем ОП мог быть увеличен до 16 Мбайт. Начиная с МП i80386, шина адреса содержит 32 линии. Максимальный объем ОП увеличился до 
Гб.
Микросхемы элементов памяти динамических ОЗУ отличаются от аналогичных ЭП статических ОЗУ меньшим числом компонентов в одном элементе памяти, в связи с чем имеют меньшие размеры и могут быть более плотно упакованы в кристалле. Однако из-за необходимости регенерации информации динамические ОЗУ имеют более сложные схемы управления.
Сверхоперативная память
Регистр представляет собой электронное устройство, способное хранить занесенное в него число неограниченно долго (при включенном питании). Наибольшее распространение получили регистры на статических триггерах.
Регистры могут быть объединены в единую структуру. Возможности такой структуры определяются способом доступа и адресации регистров.
Если к любому регистру можно обратиться для записи/чтения по его адресу, такая регистровая структура образует СОЗУ с произвольным доступом.
Безадресные регистровые структуры могут образовывать два вида устройств памяти: магазинного типа и память с выборкой по содержанию (ассоциативные ЗУ).
Память магазинного типа образуется из последовательно соединенных регистров (рис.15.2).
В стек может быть загружен в определенной последовательности ряд данных, которые впоследствии считываются из стека уже в обратном порядке. На этом свойстве построена система арифметических преобразований информации, известная под названием «логики Лукашевича».
Ассоциативная память
В микропроцессорах ассоциативные ЗУ используются в составе кэш-памяти для хранения адресной части команд и операндов исполняемой программы. При этом нет необходимости обращаться к ОП за следующей командой или требуемым операндом: достаточно поместить в маску необходимый адрес, и если искомая информация имеется в СОЗУ, то она будет сразу выдана. Обращение к ОП будет необходимо лишь при отсутствии требуемой информации в СОЗУ. За счет такого использования СОЗУ сокращается число обращений к ОП, а это позволяет экономить время.
Кэш-память может быть размещена в кристалле процессора (так называемая «кэш-память I уровня») либо выполнена в виде отдельной микросхемы или модуля, содержащего несколько микросхем (внешняя кэшпамять, или кэш-память II уровня).
Встроенная кэш-память (I уровня) в процессорах Pentium имеет объем 16-32 Кбайт. Внешняя кэш-память (II уровня) имеет объем до 1Гбайта и работает с 64-битными словами.
Устройство и принцип действия ЭВМ
Устройство управления (УУ) координирует работу всех блоков компьютера. В определенной последовательности он выбирает из оперативной памяти команду за командой. Каждая
Устройство и принцип действия ЭВМ
Другие материалы по предмету
УСТРОЙСТВА И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ЭВМ
Центральный процессор ЭВМ
Устройство управления (УУ) координирует работу всех блоков компьютера. В определенной последовательности он выбирает из оперативной памяти команду за командой. Каждая команда декодируется, по потребности элементы данных из указанных в команде ячеек оперативной памяти передаются в АЛУ; АЛУ настраивается на выполнение действия, указанной текущей командой (в этом действии могут принимать участие также устройства ввода-вывода); дается команда на выполнение этого действия. Этот процесс будет продолжаться до тех пор, пока не возникнет одна из следующих ситуаций: исчерпаны входные данные, от одного из устройств поступила команда на прекращение работы, выключено питание компьютера.
компьютер процессор информация
Процесс взаимодействия пользователя с компьютером (ЭВМ) непременно включает процедуры ввода входных данных и получение результатов обработки этих данных. Поэтому, обязательными составляющими типичной конфигурации ЭВМ являются разнообразные устройства ввода-вывода. Каждое такое устройство подключено через свой контроллер. К стандартным устройствам ввода-вывода относятся монитор, клавиатура, манипулятор (мышь) и принтер.
мониторы с электронно-лучевой трубкой;
дисплеи на жидких кристаллах.
Клавиатура относится к стандартным средствам ЭВМ, поэтому для реализации ее основных функций не требуется наличие специальных системных программ (драйверов). Необходимое программное обеспечение для работы с клавиатурой находится в микросхеме постоянной памяти в составе базовой системы ввода-вывода BIOS.
сублимационные (печать паром).
В последнее время принтеры всё чаще стали использоваться не только для печати на бумаге. Радиолюбители используют лазерные принтеры в «лазерно-утюжной» технологии изготовления плат, нанося маску для травления с помощью лазерного принтера.
Все функциональные узлы компьютера связаны между собой через системную магистраль, представляющую из себя более трёх десятков упорядоченных микропроводников, сформированных на печатной плате.
Магистраль включает в себя три многоразрядные шины:
По шине данных данные передаются между различными устройствами. Например, считанные из оперативной памяти данные могут быть переданы процессору для обработки, а затем полученные данные могут быть отправлены обратно в оперативную память для хранения.
Каждое устройство или ячейка оперативной памяти имеет свой адрес. Адрес передается по адресной шине, причем сигналы по ней передаются в одном направлении от процессора к оперативной памяти и устройствам.
По шине управления передаются сигналы, определяющие характер обмена информацией по магистрали. Сигналы управления определяют какую операцию считывание или запись информации из памяти нужно производить, синхронизируют обмен информацией между устройствами и т.д.
В основу построения подавляющего большинства компьютеров положены следующие общие принципы, сформулированные в 1945 г. американским ученым венгерского происхождения Джоном фон Нейманом.
Принцип программного управления. Программа состоит из набора команд, выполняющихся процессором автоматически в определенной последовательности.
Выборка программы из памяти осуществляется с помощью счетчика команд. Этот регистр процессора последовательн
Устройство и принцип действия ЭВМ
На разных этапах развития техники и технологии компьютеры назывались по-разному: арифметическо-логическое устройство (АЛУ), программируемое электронно-вычислительное устройство (ПЭВМ или ЭВМ), вычислительная машина, компьютер.
Основные принципы построения логической схемы и структура вычислительной машины, изложенные выдающимся математиком Джоном фон Нейманом, реализованы в первых двух поколениях ЭВМ. Классическая архитектура ЭВМ, построенная по принципу фон Неймана (фон-неймановская архитектура) и реализованная в вычислительных машинах первого и второго поколений, представлена на рис. 2.1 и содержит следующие основные блоки:
· арифметическо-логическое устройство (АЛУ), выполняющее арифметические и логические операции;
· управляющее устройство (УУ), организующее процесс выполнения программ;
· внешнее запоминающее устройство (ВЗУ), или память, для хранения программ и данных;
· оперативное запоминающее устройство (ОЗУ);
· устройства ввода и вывода информации (УВВ).
Рис. 2.1. Архитектура ЭВМ, реализующая принципы фон Неймана:
Внешняя память отличается от устройств ввода и вывода тем, что данные в нее заносятся в виде, удобном компьютеру, но недоступном для непосредственного восприятия человеком. Например, накопитель на магнитных дисках относится к внешней памяти; устройством ввода является клавиатура, а монитор и принтер — устройства вывода. Причем если монитор можно отнести к устройствам отображения информации, то принтер — типичное печатающее устройство.
Взаимодействие основных устройств компьютера реализуется в определенной последовательности. В память компьютера вводится программа с помощью какого-либо внешнего устройства. Память компьютера состоит из некоторого числа пронумерованных ячеек. В каждой ячейке могут находиться или обрабатываемые данные, или инструкции программ. Номер (адрес) очередной ячейки памяти, из которой будет извлечена следующая команда программы, указывается специальным устройством — счетчиком команд в УУ.
Управляющее устройство считывает содержимое ячейки памяти, где находится первая инструкция (команда) программы, и организует ее выполнение. Как правило, после выполнения одной команды управляющее устройство начинает выполнять команду из ячейки памяти, которая находится непосредственно за ячейкой, где содержится только что выполненная команда.
Управляющее устройство выполняет инструкции программы автоматически и может обмениваться информацией с оперативным запоминающим устройством и внешними устройствами компьютера. Поскольку внешние устройства работают значительно медленнее, чем остальные части компьютера, управляющее устройство может приостанавливать выполнение программы до завершения операции ввода-вывода с внешним устройством. Все результаты выполненной программы должны быть выведены на внешние устройства компьютера, после чего компьютер переходит в режим ожидания каких-либо сигналов от внешних устройств.
Схема устройства современных компьютеров несколько отличается от приведенной выше. Например, арифметическо-логическое и управляющее устройства объединены в единое устройство — центральный процессор — CPU (Central Processing Unit).
Появление ЭВМ третьего поколения было обусловлено переходом от транзисторов к интегральным микросхемам. В них не только были значительно уменьшены размеры базовых функциональных узлов, но и появилась возможность существенно повысить быстродействие процессора. При этом возникло противоречие между высокой скоростью обмена информацией внутри ЭВМ и медленной работой устройств ввода/вывода. Решение проблемы было найдено путем освобождения центрального процессора от функций обмена и передачей их специальным электронным схемам управления работой внешних устройств. Такие схемы имели различные названия: каналы обмена, процессоры ввода/вывода, периферийные процессоры. В последнее время все чаще используется термин «контроллер внешнего устройства», или «контроллер».
Контроллер можно представить как специализированный процессор, управляющий работой какого-либо внешнего устройства по специальным встроенным программам обмена. Например, контроллер дисковода (накопителя на магнитных дисках) обеспечивает позиционирование головки, чтение или запись информации. Результаты выполнения каждой операции заносятся во внутренние регистры памяти контроллера и могут быть в дальнейшем прочитаны центральным процессором. CPU, в свою очередь, выдает задание на выполнение контроллеру. Дальнейший обмен информацией может происходить под руководством контроллера, без участия CPU. Наличие таких интеллектуальных контроллеров — внешних устройств стало важной отличительной чертой ЭВМ третьего и четвертого поколений. Шинная архитектура ЭВМ, содержащей интеллектуальные контроллеры (К), представлена на рис. 2.2. Для связи между отдельными функциональными узлами ЭВМ используется общая магистраль — шина, состоящая из трех частей: шины данных, шины адреса и шины управления.
Следует отметить, что в некоторых моделях компьютеров шины данных и адреса объединены: на шину сначала выставляется адрес, а потом данные. Сигналы по шине управления определяют, для какой цели используется шина в каждый конкретный момент.
Такая открытость архитектуры ЭВМ позволяет пользователю свободно выбирать состав внешних устройств, т. е. конфигурировать компьютер. Рассмотрим функции основных устройств компьютера.
Рис. 2.2. Шинная архитектура ЭВМ
Процессор, или микропроцессор, является основным устройством ЭВМ и представляет собой функционально законченное устройство обработки информации. Он предназначен для выполнения вычислений по хранящейся в запоминающем устройстве программе и обеспечения общего управления ЭВМ. Быстродействие ЭВМ в значительной мере определяется скоростью работы процессора.
Память ЭВМ содержит обрабатываемые данные и выполняемые программы, поступающие через устройство ввода/вывода. Память представляет собой сложную структуру, построенную по иерархическому принципу, состоящую из запоминающих устройств различных типов. Функционально она делится на две части — внутреннюю и внешнюю.
Внутренняя память — это запоминающее устройство, напрямую связанное с процессором и предназначенное для хранения выполняемых программ и данных, непосредственно участвующих в вычислениях. Обращение к внутренней памяти ЭВМ осуществляется с высоким быстродействием, но она имеет ограниченный объем, определяемый системой адресации машины. Внутренняя память, в свою очередь, делится на оперативную и постоянную (ПЗУ) память.
Постоянная память обеспечивает хранение и выдачу информации. Содержимое постоянной памяти заполняется при изготовлении ЭВМ и не подлежит изменению в обычных условиях эксплуатации. В постоянной памяти хранятся часто используемые (универсальные) программы и данные, некоторые программы операционной системы, программы тестирования оборудования ЭВМ и др. При выключении питания содержимое постоянной памяти сохраняется. Такой вид памяти называется ROM (Read Only Memory — память только для чтения), или постоянное запоминающее устройство. Значительная часть программ, хранящихся в ROM, связана с обслуживанием ввода/вывода, поэтому ее называют ROM BIOS (Basic Input-Output System — базовая система ввода/вывода).
Оперативная память, по объему составляющая большую часть внутренней памяти, служит для приема, хранения и выдачи информации. При выключении питания содержимое оперативной памяти в большинстве случаев теряется. Эта память называется оперативной, поскольку работает так быстро, что процессору практически не приходится ждать при чтении данных из памяти или записи в нее. Оперативная память обозначается RAM (Random Access Memory — память с произвольным доступом). Объем установленной в компьютере оперативной памяти определяет, с каким программным обеспечением можно на нем работать. При недостаточном объеме оперативной памяти многие программы либо не будут работать совсем, либо будут работать крайне медленно.
Кэш-память — сверхбыстродействующая память, обеспечивающая ускорение доступа к оперативной памяти на быстродействующих компьютерах. Она располагается между микропроцессором и оперативной памятью и хранит копии наиболее часто используемых участков оперативной памяти. При обращении микропроцессора к памяти сначала производится поиск данных в кэш-памяти. Поскольку время доступа к кэш-памяти в несколько раз меньше, чем к обычной памяти, а в большинстве случаев необходимые микропроцессору данные уже содержатся в кэш-памяти, среднее время доступа к памяти уменьшается.
CMOS-RAM — участок памяти для хранения параметров конфигурации компьютера. Называется так в связи с тем, что эта память обычно выполняется по технологии CMOS, обладающей низким энергопотреблением. Содержимое CMOS-RAM не измеяется при выключении электропитания компьютера. Эта память располагается на контроллере периферии, для электропитания которого используются специальные аккумуляторы. Для изменения параметров конфигурации компьютера в BIOS содержится программа настройки конфигурации компьютера Setup.
Видеопамять в IBM PC-совместимых компьютерах — память, используемая для хранения изображения, выводимого на экран монитора. Эта память обычно входит в состав видеоконтроллера — электронной схемы, управляющей выводом изображения на экран монитора.
Внешняя память предназначена для размещения больших объемов информации и обмена ею с оперативной памятью. Для построения внешней памяти используют энергонезависимые носители информации (диски и ленты), которые являются переносными. Емкость внешней памяти практически не имеет ограничений, а для обращения к ней требуется больше времени, чем к внутренней. ВЗУ по принципам функционирования разделяются на устройства прямого доступа (накопители на магнитных и оптических дисках) и устройства последовательного доступа (накопители на магнитных лентах). Устройства прямого доступа обладают большим быстродействием, поэтому они являются основными внешними запоминающими устройствами, постоянно используемыми в процессе функционирования компьютера. Устройства последовательного доступа используются в основном для резервирования информации.
Устройства ввода/вывода служат для обеспечения общения пользователя с ЭВМ и относятся к периферийным, или внешним устройствам. На рис. 2.3 показаны связи между компьютером и различными периферийными устройствами.
Необходимыми устройствами ввода/вывода являются монитор, клавиатура, мышь.
Монитор принимает изображение от системного блока. Его экран является рабочим полем. С помощью клавиатуры в компьютер вводятся любые тексты, символы, подаются команды и осуществляется управление работой компьютера. Мышь — средство управления курсором на экране монитора.
Сам по себе компьютер не обладает знаниями ни в одной области, все эти знания сосредоточены в программном обеспечении. Программное обеспечение можно разделить на следующие категории.
Рис. 2.3. Связи между компьютером и периферийными устройствами
Системные программы — выполняют функции обеспечения нормальной работы компьютера, его обслуживания и настройки. Среди системных программ особое место занимают операционные системы (ОС) для управления компьютером, запуска программ, обеспечения защиты данных, выполнения различных сервисных функций по запросам пользователя и программ. Каждая ОС состоит как минимум из трех обязательных частей. Ядро, или командный интерпретатор, обеспечивает «перевод» с программного языка на язык машинных кодов. Драйверы расширяют возможности ОС, позволяя ей работать с тем или иным внешним устройством. Драйверы для различных ОС часто поставляются вместе с новыми устройствами или контроллерами. Интерфейс — удобная графическая оболочка, с которой общается пользователь.
Утилиты — комплекты полезных программ, предназначенных для обслуживания и совершенствования работы компьютера.
Тесты — программы для тестирования как программного обеспечения, так и аппаратных ресурсов, которые иногда относят к утилитам.
Прикладные программы — непосредственно обеспечивают выполнение необходимых пользователям работ.
Наиболее популярными из прикладных программ являются офисные программы, посредством которых создаются и редактируются документы в виде текстов, электронных таблиц. В эту группу входят также системы машинного перевода; распознавания текста, графики со сканера; финансовые и бухгалтерские программы, программы для работы с Internet.
К мультимедийным прикладным программам относятся программы для обработки и создания изображений, работы со звуком, а также проигрыватели (плейеры) и программы просмотра (вьюверы). Последние не обеспечивают редактирование звукового или видеофайла, но позволяют проиграть музыкальную композицию или вывести изображение на экран.
К группе профессиональных прикладных программ относятся инструментальные системы программирования, обеспечивающие создание новых программ для компьютера; системы автоматизированного проектирования (CAD); редакторы трехмерной графики и анимации, а также специализированные инженерные и научные программы.