Лекция №2
Функциональная и структурная организация ЭВМ
Связь между функциональной и структурной организацией ЭВМ
Существуют два взгляда на построение и функционирование ЭВМ. Первый - взгляд пользователя, не интересующегося технической реализацией ЭВМ и озабоченного только получением некоторого набора функций и услуг, обеспечивающих эффективное решение его задач; второй - разработчика ЭВМ, усилия которого направлены на рациональную техническую реализацию необходимых пользователю функций. С учетом этого обстоятельства и вводятся понятия "функциональная и структурная организация" компьютера.
Функциональная организация ЭВМ - это абстрактная модель ЭВМ, описывающая функциональные возможности машины и предоставляемые ею услуги. Функциональная организация ЭВМ в значительной степени определяется предъявляемыми к ней требованиями, уровнем подготовки потенциальных пользователей, типом решаемых ими задач, потребностями в развитии компьютера (по емкости ЗУ, разрядности, составу периферийных устройств и др.).
Предусматриваемые абстрактной моделью функции ЭВМ реализуются на основе реальных, физических средств (устройств, блоков, узлов, элементов) в рамках определенной структуры. В общем случае под структурной организацией ЭВМ понимается некоторая физическая модель, устанавливающая состав, порядок и принципы взаимодействия основных функциональных частей машины (без излишних деталей их технической реализации).
По степени детальности различают структурные схемы, составленные на уровне
¨ устройств,
¨ блоков,
¨ узлов,
¨ элементов.
Устройство - наиболее крупная функциональная часть ЭВМ, состоящая из элементов, узлов, блоков и выполняющая глобальные операции над кодированными данными (запоминание, обработку, преобразование).
Блок - функциональный компонент ЭВМ, состоящий из элементов и узлов и выполняющий операции над машинными словами или управляющий такими операциями (пример: сумматор, блок регистров).
Узел - часть машины, состоящая из нескольких более простых элементов и представляющая собой сборочную единицу (логическая схема).
Элемент, простейшее устройство ЭВМ, выполняющее одну операцию над входными сигналами. (пример — логический элемент).
Блоки и устройства часто изготавливаются в виде самостоятельных конструктивных модулей.
Функциональная организация ЭВМ играет ведущую роль и в значительной степени определяет структурную организацию машины, хотя и не дает жестких ограничений на конечную техническую реализацию структурных элементов. Одна и та же функция может быть реализована на совершенно разных технических средствах.
Компьютер – это устройство, не способное мыслить самостоятельно, как человек. Для того, чтобы компьютер мог работать с информацией – получать ее, хранить, передавать, обрабатывать – его необходимо научить выполнять все эти действия. Научить – значит построить работу компьютера по инструкции, в которой указано, что надо делать. Такая инструкция должна содержать строгую последовательность команд на языке, понятном компьютеру, т. е. сообщать ему, как надо обрабатывать данные для получения желаемого результата. Такая инструкция называется программой. Компьютер без программ – это груда железа. И только программы делают его нашим помощником, другом и советчиком.
Самые первые программы разрабатывались на машинном языке, где слова этого языка представляют собой последовательность нулей и единиц, и не все люди могли заниматься их разработкой, только профессиональные программисты.
В 60-е годы началась разработка языков программирования высокого уровня, которые позволили существенно облегчить работу программистов, и создание программ стало доступно даже для начинающих пользователей компьютера.
Программа – это последовательность команд, которую выполняет компьютер в процессе обработки информации.
Все программы хранятся во внешней и постоянной памяти компьютера. Но, для того, чтобы компьютер мог выполнить ту или иную обработку информации по соответствующей программе, она должна быть помещена в оперативную память компьютера.
Все используемые в компьютере программы называются программным обеспечением.
Все программное обеспечение делиться на три класса:
1. Системное ПО
2. Прикладное ПО
3. Инструментарий программирования
Системное ПО – является основным ПО, неотъемлемой частью компьютера. Без него невозможно взаимодействовать ни с одним устройством ЭВМ. Именно системное ПО руководит слаженной работой всех элементов компьютерной системы, как на аппаратном уровне, так и на программном.
Системное программное обеспечение.
Программы | Пояснение | Примеры |
Операционные системы | Комплекс программ, распределяющих ресурсы компьютерной системы и организующих работу других программ | MS-DOS |
Файловые менеджеры | Программы, обеспечивающие более комфортное общение пользователя с командами ОС | Windows Commander |
Программы диагностики | Проверяют работу основных устройств компьютера | |
Антивирусные программы | Программы обнаружения компьютерных вирусов и их уничтожения | DrWeb |
Программы обслуживания дисков | Программы проверки целостности логической и физической структуры дисков, дефрагментация | |
Архиваторы | Программы упаковки файлов и группы файлов для уменьшения занимаемого ими места на диске | WinRar |
Прикладное ПО – предназначено для выполнения конкретных задач пользователя. Это те программы, которые превращают компьютер в пишущую машинку для набора текстов, в калькулятор для выполнения вычислений, в рабочее место художника, дизайнера, в средство общения с другими людьми на расстоянии или инженера-конструктора, и многое-многое другое.
Прикладное программное обеспечение
Программы | Пояснение | Примеры |
Текстовые процессоры | Программы для создания, редактирования и оформления текстовых документов | Microsoft Word |
Табличные процессоры | Программы, позволяющие выполнять операции над данными, представленными в табличной форме | Microsoft Excel |
СУБД | Средства ввода, поиска, размещения и выдачи больших массивов данных | Microsoft Access |
Компьютерная графика и анимация | Средства создания неподвижных и движущихся изображений | Paint |
Средства создания презентации | Программы создания и показа наборов слайдов | Microsoft PowerPoint |
Средства коммуникаций | Программы для работы в компьютерной сети | Internet Explorer |
Системы автоматизированного проектирования (САПР) | Средства проектирования электронных схем, машин, механизмов | AutoCad |
Обучающие программы | Помогают процессу обучения | Клавиатурные тренажеры |
Игры | Программы для организации досуга и обучения | Стратегии |
Инструментарий программирования – это средства, предназначенные для создания ПО, т. е. того же системного и прикладного ПО. Его составляют разнообразные языки и среды программирования.
Инструментарий программирования
Программы | Пояснение | Примеры |
Трансляторы | Переводчики программ языков программирования и машинные коды | |
Отладчики | Средства поиска и исправления ошибок | |
Интегрированные среды разработки приложений | Объектно-ориентированные языки программирования | Visual Basic |
Языки программирования | Средства создания программ для компьютера | Basic |
Закрепление изученного
Задание № 1. Найди лишнее
А) Тестовый процессор, Miсrosoft Access, графические редакторы, отладчик, переводчик.
Б) Операционная система, архиваторы, табличный процессор, антивирусная программа.
В) Отладчик, транслятор, языки программирования, программа-оболочка.
Задание № 2. Сравни, чего больше:
А) Графических редакторов или прикладных программ?
Б) Антивирусных программ или системных программ?
В) Отладчиков или языков программирования?
Задание № 3. Работа по группам.
Укажите, какое ПО необходимо людям в следующих ситуациях:
Ситуация | Системное ПО | Прикладное ПО | Инструментальное ПО |
Первая группа | |||
Ландшафтные дизайнеры создают проект нового городского ландшафта | |||
Профессиональный программист пишет компьютерную программу по заказу крупной фирмы | |||
Ученые научно-исследовательского института расшифровывают записи, переданные марсходом | |||
Вторая группа | |||
Выпускной 11 класс готовит фотоальбом и собирает воспоминания о своей школьной жизни | |||
Web-дизайнер создает сайт известной фирмы | |||
Школьник играет в компьютерную игру | |||
Третья группа | |||
Создатели нового мобильного телефона пробуют различные варианты дизайна | |||
Учитель пишет компьютерный тест по своему предмету | |||
Конструкторы исследуют модель новой подводной лодки |
Архитектура ЭВМ
Архитектура ЭВМ включает в себя как структуру, отражающую состав ПК, так и программно – математическое обеспечение. Структура ЭВМ - совокупность элементов и связей между ними. Основным принципом построения всех современных ЭВМ является программное управление.
Основы учения об архитектуре вычислительных машин были заложены Джон фон Нейманом. Совокупность этих принципов породила классическую (фон-неймановскую) архитектуру ЭВМ.
Фон Нейман не только выдвинул основополагающие принципы логического устройства ЭВМ, но и предложил ее структуру, представленную на рисунке.
Положения фон Неймана:
Компьютер состоит из нескольких основных устройств (арифметико-логическое устройство, управляющее устройство, память, внешняя память, устройства ввода и вывода)
Арифметико-логическое устройство – выполняет логические и арифметические действия, необходимые для переработки информации, хранящейся в памяти
Управляющее устройство – обеспечивает управление и контроль всех устройств компьютера (управляющие сигналы указаны пунктирными стрелками)
Данные, которые хранятся в запоминающем устройстве, представлены в двоичной форме
Программа, которая задает работу компьютера, и данные хранятся в одном и том же запоминающем устройстве
Для ввода и вывода информации используются устройства ввода и вывода
Один из важнейших принципов – принцип хранимой программы – требует, чтобы программа закладывалась в память машины так же, как в нее закладывается исходная информация.
Арифметико-логическое устройство и устройство управления в современных компьютерах образуют процессор ЭВМ. Процессор, который состоит из одной или нескольких больших интегральных схем называется микропроцессором или микропроцессорным комплектом.
Процессор – функциональная часть ЭВМ, выполняющая основные операции по обработке данных и управлению работой других блоков. Процессор является преобразователем информации, поступающей из памяти и внешних устройств.
Запоминающие устройства обеспечивают хранение исходных и промежуточных данных, результатов вычислений, а также программ. Они включают: оперативные (ОЗУ), сверхоперативные СОЗУ), постоянные (ПЗУ) и внешние (ВЗУ) запоминающие устройства.
Оперативные ЗУ хранят информацию, с которой компьютер работает непосредственно в данное время (резидентная часть операционной системы, прикладная программа, обрабатываемые данные). В СОЗУ хранится наиболее часто используемые процессором данные. Только та информация, которая хранится в СОЗУ и ОЗУ, непосредственно доступна процессору.
Внешние запоминающие устройства (накопители на магнитных дисках, например, жесткий диск или винчестер) с емкостью намного больше, чем ОЗУ, но с существенно более медленным доступом, используются для длительного хранения больших объемов информации. Например, операционная система (ОС) хранится на жестком диске, но при запуске компьютера резидентная часть ОС загружается в ОЗУ и находится там до завершения сеанса работы ПК.
ПЗУ (постоянные запоминающие устройства) и ППЗУ (перепрограммируемые постоянные запоминающие устройства) предназначены для постоянного хранения информации, которая записывается туда при ее изготовлении, например, ППЗУ для BIOS.
В качестве устройства ввода информации служит, например, клавиатура. В качестве устройства вывода – дисплей, принтер и т. д.
В построенной по схеме фон Неймана ЭВМ происходит последовательное считывание команд из памяти и их выполнение. Номер (адрес) очередной ячейки памяти, из которой будет извлечена следующая команда программы, указывается специальным устройством – счетчиком команд в устройстве управления.
